«Наука для школы и семьи. Часть I. Натурфилософия»

184. Инерция, проявляющаяся в стремлении движения продолжаться. — Приведу несколько иллюстраций этого. Как и в случае с кораблем в первой иллюстрации в § 183, требуется время, чтобы передать движение всему кораблю, или, иными словами, преодолеть его инерцию, так и когда корабль уже находится в быстром движении, он не останавливается внезапно, когда убирают паруса, но его инерция, стремящаяся сохранить движение, постепенно преодолевается сопротивлением воды. Если человек стоит в движущемся экипаже, а лошади внезапно останавливаются, он будет выброшен вперед, ибо его тело имеет общее с экипажем движение и по инерции стремится продолжать его, когда экипаж останавливается. Когда вы ударяете ногой обо что-то, чтобы стряхнуть снег, вы придаете ноге и снегу общее движение, а затем, останавливая движение ноги, снег по инерции продолжает двигаться. То же самое иллюстрируется при выбивании пыли из книги ударом обо что-либо. Если корабль налетает на скалу, все, что на борту лежит свободно, отбрасывается вперед. Земля, вращаясь вокруг своей оси, имеет на экваторе скорость около 1000 миль в час. Если бы это вращение было внезапно остановлено, все, что лежит свободно на ее поверхности, приобретя движение Земли, было бы мгновенно отброшено на восток, точно так же, как мебель и т. д. на борту корабля отбрасываются вперед, когда он останавливается, наткнувшись на скалу. Все дома, памятники и сооружения любого рода рухнули бы на восток. Все города на нашем атлантическом побережье были бы погружены в океан; и в то время как воды покинули бы западные берега Атлантики, они затопили бы ее восточные берега и залили бы континент Европы, подобно тому как вода в сосуде на борту корабля, наткнувшегося на препятствие, была бы выброшена вперед через край.

Fig. 127.

185. Конный трюк. — В трюке, представленном на рис. 127, единственное усилие, которое делает наездник, — это приподняться достаточно, чтобы перепрыгнуть через веревку, и он снова опускается на спину лошади просто благодаря движению, которое он имеет вместе с лошадью, причем его ноги движутся по пути, обозначенному пунктирной линией. Если бы он попытался броситься вперед, как при прыжке с земли, он улетел бы слишком далеко и, возможно, ударился бы о шею лошади вместо спины. Мастерство прыжка из движущегося экипажа заключается в том, чтобы сделать правильную поправку на движение вперед, которое имеется вместе с экипажем. Большинство людей склонны переусердствовать, и поэтому падают на землю плашмя и с большей силой, чем необходимо.

186. Судебное дело. — Лихой молодой человек, управлявший легким фаэтоном, врезался в тяжелую карету. Его отец, поддавшись на рассказы сына, решил подать в суд на кучера кареты за слишком быструю езду. Знание инерции движения очень легко решило дело. Сын и его слуга оба заявили, что удар кареты о фаэтон был настолько сильным, что их выбросило через головы лошадей. Тем самым они доказали свою вину в быстрой езде, ибо именно их собственное быстрое движение выбросило их, когда фаэтон остановился, врезавшись в карету. Следующий случай аналогичен. Если две лодки, одна большая, медленно плывущая вверх по течению, другая маленькая, быстро плывущая вниз, столкнутся, человек, стоящий на носу той, что идет вниз, будет отброшен гораздо дальше вперед, чем человек, стоящий на носу другой.

187. Траектория тел, брошенных в воздух. — Из принципа, который я проиллюстрировал, следует, что когда какое-либо тело, например камень, бросают, как мы говорим, прямо вверх, оно на самом деле не поднимается и не опускается перпендикулярно. Если бы это было так, оно упало бы на большом расстоянии от нас. Предположим, что на подъем и падение на землю уходит две секунды. Если мы находимся на экваторе, за эти две секунды мы перемещаемся от точки, где подбросили камень, почти на 3000 футов на восток, и поэтому, если бы камень поднимался и падал перпендикулярно, он упал бы в 3000 футов к западу от нас. Почему же вместо этого он падает к нашим ногам? Потому что при броске в воздух он обладает не только движением вверх, приданным рукой, но и движением Земли вперед. Это случай, аналогичный случаю с наездником на рис. 127, где лошадь представляет поверхность Земли, а наездник — камень. По той же причине человек на борту парохода, даже если он движется со скоростью пятнадцать миль в час, подбрасывает свой мяч или апельсин и ловит его так же хорошо, как если бы он был на суше. Он не смог бы этого сделать, если бы и он, и его апельсин не имели того же движения вперед, что и лодка. Так же, если человек упадет с верхушки мачты, он достигнет палубы у подножия мачты, когда судно быстро плывет, точно так же, как если бы оно стояло неподвижно у пристани. Если бы он по инерции не сохранял движение вперед, которое имел вместе с судном, он упал бы на некотором расстоянии позади мачты.

188. Земля и атмосфера. — Поскольку воздух удерживается у Земли притяжением, § 151, он имеет движение вместе с Землей. Он вращается вместе с Землей, точно так же, как шина колеса вращается вместе с колесом. Раз это так, наши ветры — не что иное, как небольшие отклонения этого постоянного быстрого вихря воздушной оболочки Земли. Если бы атмосфера внезапно перестала вращаться вместе с Землей, мы бы двигались сквозь нее со скоростью 1500 футов в секунду; и разрушительный эффект для нас был бы таким же, как если бы Земля стояла неподвижно, а воздух двигался над ее поверхностью с этой страшной скоростью. Один мудрец, не подумав о том, что атмосфера движется вместе с Землей, предложил подняться на воздушном шаре и подождать, пока страна, в которую он хотел попасть, не будет проходить под ним.

189. Движение и покой. — Хотя мы используем термин «покой» в противоположность движению, из некоторых приведенных иллюстраций очевидно, что покой — это лишь относительный термин, ибо ни одна частица материи во Вселенной не находится в покое. Хотя, когда мы сидим неподвижно, мы называем себя находящимися в покое, мы движемся каждый час: на 1000 миль на восток из-за вращения Земли вокруг своей оси и на 68 000 миль в нашем ежегодном путешествии вокруг Солнца. Почему же мы так нечувствительны к этим быстрым движениям? Отчасти потому, что движения так равномерны, но главным образом потому, что все вокруг нас — наши дома, деревья и даже атмосфера — движутся вместе с нами. Если бы мы двигались в одиночку, даже с небольшой скоростью, в то время как все эти объекты стояли бы неподвижно, мы бы осознавали свое движение, как осознаем его, когда, едя в экипаже, видим, что объекты на обочине дороги не движутся вместе с нами.

190. Сравнение. — Вышесказанное можно сделать более ясным и впечатляющим с помощью простого сравнения. Человек на борту парохода, сосредоточив внимание на вещах внутри лодки, может через некоторое время почти перестать осознавать движение лодки, если вода спокойна, хотя лодка может идти со скоростью пятнадцать миль в час. Если он читает в каюте, он будет думать о своем движении так же мало, как если бы читал в своей гостиной дома. Если бы ему завязали глаза и несколько раз повернули, он не смог бы сказать, в каком направлении движется лодка. Теперь с человеком на Земле обстоит так же, как с человеком в лодке. Он не осознает движения Земли по той же причине, по которой человек в лодке не осознает движения лодки. Все объекты вокруг него движутся вместе с ним, как объекты вокруг человека в каюте лодки движутся вместе с ним. Мы можем продолжить эту параллель. Пока человек сидит в каюте, он не знает, как быстро движется лодка и движется ли она вообще. Он должен выглянуть наружу, чтобы решить это, и даже тогда он может не понять, движется ли лодка или он просто видит, как вода пробегает мимо нее. Мы часто бываем фактически обмануты в этом отношении. Пароход, борющийся с ветром и волнами, может казаться тем, кто на борту, движущимся вперед, когда он на самом деле неподвижен или даже когда он теряет позиции. Так и когда мы смотрим на Солнце, мы не знаем, движется ли Солнце или Земля. Одно лишь зрение, без рассуждения на эту тему, заставляет думать, что движется Солнце. По той же причине, если бы ребенка впервые посадили в экипаж, не дав увидеть лошадей, но с глазами, устремленными на объекты на обочине дороги, он, вероятно, подумал бы, что все заборы, деревья, камни и дома находятся в движении.

191. Абсолютное и относительное движение. — Движение тела называется абсолютным, когда оно рассматривается без отношения к положению любого другого тела. Его движение называется относительным, когда оно движется по отношению к какому-либо другому телу. Абсолютный покой неизвестен, ибо ни одно тело во Вселенной не является известным как лишенное движения. Но тело может быть относительно в покое, то есть в фиксированном относительном положении к другим телам. Каждое тело находится в состоянии абсолютного движения, и все же оно может находиться в состоянии относительного покоя. Все объекты, которые кажутся нам находящимися в покое, имеют очень быстрое абсолютное движение. Они кажутся находящимися в покое лишь потому, что имеют ту же скорость и направление абсолютного движения, что и мы сами. И все движения, которые видны глазу, — это лишь небольшие различия в общих абсолютных движениях, о которых, хотя они чрезвычайно быстры, мы совершенно не подозреваем. Так, если я стою неподвижно, а другой человек рядом со мной идет со скоростью три мили в час на восток, мы оба имеем общее абсолютное движение 1000 миль в каждый час, и он просто добавляет три мили к своим тысячам — я прохожу 1000 миль, а он 1003. Так, если я сижу неподвижно в своей гостиной, а мой друг путешествует на восток со скоростью 20 миль в час, я прохожу каждый час 1000 миль, а он 1020. А если он путешествует на запад с этой скоростью, он на самом деле движется медленнее меня — он имеет абсолютное движение на восток 980 миль, а я 1000. В то же время мы оба мчимся в нашем ежегодном путешествии вокруг Солнца со скоростью 68 000 миль в час.

192. Препятствия движению. — Поскольку движение по своей природе склонно продолжаться (§ 49 и § 184), всякий раз, когда оно останавливается, оно не расходуется само по себе, а останавливается препятствиями. Основными из этих препятствий являются: гравитация; сопротивление противодействующих веществ — твердых тел, жидкостей и газов; и трение. Когда камень бросают в воздух, его движение вверх постепенно уничтожается притяжением Земли и сопротивлением воздуха. Понаблюдайте теперь, почему он опускается. Это происходит под действием одной из причин, которые остановили его полет вверх, — притяжения Земли. При спуске он замедляется сопротивлением воздуха, как это было при подъеме. Это замедление очень заметно в случае веществ, которые представляют большую поверхность воздуху, например, перышка. Маленький кусочек свинца перевесит много перьев, и поэтому, поскольку его количество материи гораздо больше по отношению к его поверхности, чем у перышка, он упадет на землю гораздо быстрее. Что это объясняется исключительно сопротивлением воздуха, можно доказать с помощью воздушного насоса.

Fig. 128.

Предположим, у вас есть высокий приемник, рис. 128, на воздушном насосе, и кусочек свинца и перышко помещены в его верхней части таким образом, что они могут упасть в один и тот же момент. Откачайте воздух, а затем дайте им упасть. Они будут опускаться бок о бок, как показано на рисунке, и достигнут дна приемника одновременно, потому что там нет воздуха, который сопротивлялся бы продвижению перышка. Игрушка, называемая водяным молотком, иллюстрирует то же самое. Когда вода падает сквозь воздух, сопротивление воздуха стремится разделить ее частицы, как мы видим при падении воды, выбрасываемой фонтаном. В водяном молотке, который представляет собой закрытую трубку, содержащую немного воды и не содержащую воздуха, когда вода падает из одного конца в другой, поскольку нет воздуха, чтобы разделить ее, она падает как единая масса и издает резкий звук, подобный удару молотка. Прибор, по существу похожий на этот, можно сделать из тонкой стеклянной колбы. Налейте в нее немного воды и, нагрев ее до кипения над спиртовой лампой, плотно закупорьте колбу, а затем оставьте воду остывать. Поскольку все пространство над водой было заполнено паром, когда колбу закупоривали, теперь, когда пар конденсировался, там вакуум.

193. Отношение объема к сопротивлению жидкостей и газов. — Вы уже видели в § 192, что чем больше поверхность тела по отношению к его весу, тем больше сопротивление воздуха его движению. Эта истина, которая применима к жидкостям так же, как к воздуху или газообразным веществам, объясняет тот факт, что малые тела встречают пропорционально большее сопротивление, чем большие. Тело B, рис. 129, как вы видите, состоит из восьми кубиков размером с кубик a, то есть оно имеет в восемь раз большее количество материи, чем a. Теперь, если бы B двигалось сквозь воздух или воду, любая из его сторон, толкая воду перед собой, встретила бы лишь в четыре раза большее сопротивление, чем сторона a, ибо ее поверхность лишь в четыре раза больше, а тело в восемь раз больше, чем a. И чем больше разница в размерах, тем больше разница в сопротивлении. Если бы B был кубом в двадцать семь раз больше, чем a, он встретил бы лишь в девять раз большее сопротивление. Вы видите здесь причину, по которой снаряды и пушечные ядра можно бросать гораздо дальше, чем пули и мелкую дробь. Спортсмен не тратит свою дробь, глупо целясь в птиц на больших расстояниях, и все же снаряды и большие пушечные ядра можно бросать на расстояние нескольких миль. Разница не в степени скорости, которую производит порох, а в сопротивлении воздуха. По той же причине дождь падает с большей скоростью, чем моросящий туман.

Fig. 129.

Поскольку жидкости и аэроформные вещества сопротивляются твердым телам в движении пропорционально количеству поверхности, которую твердые тела им представляют, так же и когда они ударяются о твердые тела, они вызывают в них движение пропорционально количеству поверхности, на которую оказывается воздействие. Так, сильный ветер не мог бы сдвинуть кусок олова, но мог бы сдуть лист олова или сорвать с него кровлю, если бы пробрался под нее. Так облака песка поднимаются в воздух в пустынях Африки, хотя частицы состоят из того же материала, что и камни, и поэтому имеют тот же удельный вес. По той же причине пыль, перья, пух и пыльца цветов и т. д. разлетаются, хотя они тяжелее воздуха. Галька легче перемещается потоком воды, чем камень, потому что она имеет большую поверхность по отношению к своему весу, на которую воздействует вода. По той же причине песок перемещается легче, чем галька, а мелкий ил — легче, чем песок, хотя камни, галька, песок и ил могут быть из одного и того же материала. Это объясняет, почему вы найдете ил там, где течение медленное, песок там, где оно быстрее, гальку и камни там, где оно еще быстрее, а там, где течение чрезвычайно быстрое, вы не найдете ничего, кроме больших скал — песок, галька и камни не могут противостоять его силе. По той же причине в процессе веяния мякина уносится ветром; в то время как зерно, представляющее меньшую поверхность по отношению к своему весу, на которую воздействует воздух, падает на пол.

Во всех вышеперечисленных случаях движущуюся воду или воздух можно рассматривать как действующие в противовес притяжению Земли, причем последнее тянет вещество вниз к Земле, а первые толкают его прочь от Земли. Конечно, чем больше поверхность, на которую вода или воздух могут давить, тем больше эффект; и следует помнить, что притяжение гравитации пропорционально количеству материи, без какого-либо учета величины поверхности притягиваемого тела.

194. Отношение силы к скорости. — На первый взгляд может показаться, что движение, производимое в любом теле, должно быть в точном соответствии с силой, его производящей; то есть, что двойная сила, производящая данную скорость, удвоила бы эту скорость, а тройная — утроила бы ее и т. д. Это верно там, где нет препятствий движению, как в случае небесных тел, движущихся по своим орбитам. Но во всех движениях здесь, на Земле, есть препятствия; и поскольку противодействие всегда равно действию, чем больше скорость, тем больше противодействие препятствия. Если, следовательно, вы увеличиваете скорость любого тела, вы не только должны передать ему больше движения, но вы должны также преодолеть возросшее противодействие. Скорость увеличения силы для увеличенных скоростей была очень точно установлена.

A B C D

Fig. 130.

Это я объясню. Лодка, движущаяся от B к A, рис. 130, как мы предположим, вытесняет количество воды, представленное пространством между двумя линиями, идущими от B к A. Теперь, если она движется от B к C, она вытесняет вдвое больший объем воды B C; и поскольку она вытесняется за то же время, что и B A, каждая частица вытесняется с удвоенной скоростью. Двойная сила требуется, чтобы вытеснить двойную порцию воды, и чтобы сделать это с двойной скоростью, силу нужно удвоить снова. Так, если лодку заставить двигаться в три раза дальше за то же время, то есть от B к D, вытесняется в три раза большее количество воды, и каждая из этих трех порций, B A, A C и C D, вытесняется с утроенной скоростью. Сила, требуемая для этого, следовательно, в девять раз больше той, что требуется для перемещения лодки от B к A за то же время. Очевидно, поэтому, что при скоростях, представленных числами 1, 2, 3, 4 и т. д., силы, необходимые для производства этих скоростей, должны быть пропорциональны квадратам этих чисел; а именно: 1, 4, 9, 16 и т. д. Этот закон очень важен с практической точки зрения. Например, он показывает нам, насколько большее количество угля требуется для производства на пароходах высокой скорости, чем умеренной. Его применение также к науке артиллерии важно.

195. Отношение формы к скорости. — Сопротивление воздуха или воды плоской поверхности больше, чем выпуклой, потому что последняя легко отклоняет частицы в ту и другую сторону. Так же и вогнутая поверхность встречает гораздо большее сопротивление, чем плоская, потому что частицы воздуха или воды не могут так легко ускользнуть в стороны. Рыбы имеют веретенообразную и стройную форму, чтобы испытывать как можно меньшее сопротивление со стороны воды. По этой причине у рыбы нет шеи, ибо если бы она была, верхняя часть ее тела из-за сопротивления воды, ударяющейся о нее, стала бы серьезным препятствием для быстроты движения. Человечество в некоторой мере имитировало форму рыб в своих лодках и кораблях. Лодки, предназначенные для перевозки легких грузов и быстрого хода, делаются очень длинными и узкими. Перепончатые лапы водоплавающих птиц при движении вперед складываются так, чтобы встречать как можно меньшее сопротивление; но при движении назад они расправляются, чтобы давить на воду широкой вогнутой поверхностью. По той же причине крылья птицы сделаны выпуклыми сверху и вогнутыми снизу; и когда она движет крылом вверх, она заставляет его разрезать воздух несколько ребром, но при движении вниз она давит непосредственно всей вогнутой поверхностью.

196. Трение. — Трение обычно является препятствием для движения. Когда мы катим мяч, чем более шероховата поверхность, по которой мы его катим, тем больше трение и тем скорее мяч останавливается. Трение уменьшает быстроту движения в механизмах, и чтобы предотвратить это, насколько возможно, применяются смазка и другие средства. Но иногда трение является причиной движения, как, например, трение ведущих колес локомотива о рельсы. В этом случае колесо толкает рельс назад в каждой последовательной точке контакта. Чтобы прояснить это, предположим, что обычное колесо лишено обода и вращается на концах своих спиц. Конец каждой спицы дает толчок назад, когда ударяется о землю. Теперь обод колеса делает те же толчки, но они более многочисленны — они непрерывны, совершаясь всеми последовательными точками обода. Иногда рельсы железной дороги слишком гладкие из-за мороза или по какой-то другой причине, и тогда на них бросают песок, чтобы дать локомотиву старт. Песок служит для предотвращения скольжения колес, позволяя им получить некоторое сцепление с рельсами при их толчках назад.

197. Трение жидкостей в трубках. — Так легко течет вода, что мы сначала не предположили бы, что она будет сильно задерживаться трением при прохождении через трубы или по каналам. Но замедляющее влияние значительно. Дюймовая трубка длиной 200 футов, лежащая горизонтально и соединенная с резервуаром, будет выпускать воду не в четверть быстрее, чем дюймовое отверстие в боку резервуара. Следует избегать резких поворотов в трубе, потому что они вызывают большое трение о стенки трубы и среди частиц воды, нарушая регулярность потока. В месте входа артерий в мозг, чтобы предотвратить слишком быстрое поступление крови в этот орган, существуют резкие повороты в артериях для замедления крови; а у пасущихся животных, поскольку существует особая опасность, что кровь будет слишком свободно течь к мозгу, когда голова опущена при еде, существует специальное приспособление для предотвращения этого в виде сети артерий. Если бы артерии мозга у таких животных были прямыми трубками, они постоянно умирали бы от застоя крови в мозгу или от апоплексии.

Fig. 131.

Трение в маленькой трубе больше по отношению к ее размеру, чем в большой трубе. В трубе диаметром в дюйм вода будет двигаться не более чем в одну пятую быстрее, чем в трубке диаметром в два дюйма. Это можно прояснить с помощью рис. 131, на котором представлена площадь маленькой трубки внутри площади трубки с вдвое большим диаметром. Предположим, что эффект трения в большой трубе распространяется до a. В маленькой он распространится так же далеко, то есть до b. Но e a примерно в пять раз длиннее, чем e b, так что в большой трубе воды, свободной от трения, в пять раз больше, чем в меньшей.

Fig. 132.

198. Трение в потоках. — Замедляющий эффект трения очень очевиден в ручьях и реках. Вода в середине потока течет гораздо быстрее, чем у берегов. Когда река очень мелкая по бокам, вода там едва движется, хотя в середине вода может течь с большой скоростью. Прилив, следовательно, текущий вверх по реке, движется более свободно у берегов, чем в середине потока, потому что там он встречает меньшее сопротивление со стороны нисходящего течения. Вода движется менее быстро у дна реки, чем у поверхности. По этой причине, если палку нагрузить с одного конца так, чтобы она стояла вертикально в воде, в течении реки ее верхний конец будет нестись быстрее, чем нижний, и поэтому она наклонится вперед, как на рис. 132. Когда море накатывается на берег, каждая волна в конце концов переливается через свой гребень и разбивается, потому что нижняя часть волны замедляется трением о берег. Если бы не постоянное замедление трением у берегов и дна рек, а также на их изгибах, те реки, которые берут свое начало на значительной высоте над уровнем моря, приобрели бы огромную скорость. Так, Рона, берущая свои воды с высоты 1000 футов над уровнем океана, изливала бы их со скоростью воды, упавшей перпендикулярно с той же высоты, то есть со скоростью 170 миль в час, если бы трение постоянно не уменьшало скорость.

199. Волны. — Волны обычно образуются трением воздуха о воду. Понаблюдайте, как они образуются. Как только какая-либо часть воды поднимается над общей поверхностью, она стремится под действием гравитации упасть до уровня воды вокруг нее, и при этом часть, прилегающая к ней, выталкивается вверх, образуя другую волну; и так одна волна порождает другую, каждая из которых меньше предыдущей, пока в конце концов движение полностью не затухнет. Это всегда происходит, когда причиной движения является одиночный импульс, например, когда камень бросают в воду. Но когда волны производятся последовательностью импульсов, как когда их делает ветер, они по большей части одного размера. Существует довольно распространенное мнение, что вода движется так же быстро, как кажутся волны; но вода на самом деле остается почти неподвижной, поднимаясь и опускаясь, в то время как продвигается лишь форма волны. Одна и та же волна постоянно состоит из последовательности различных частей воды, или, скорее, это последовательность различных волн. Это очень хорошо иллюстрируется взмахиванием веревки или ковра. В открытом море волна регулярно наклоняется с обеих сторон; но когда она подходит близко к берегу, по причине, указанной в § 198, она становится все более и более близкой к перпендикулярной на стороне, обращенной к берегу, пока в конце концов не падает, и если она очень большая, рев, вызванный ее разбиванием, слышен на большом расстоянии.

200. Высота волн. — «Так ужасно, — говорит доктор Арнот, — зрелище шторма в море, что его обычно рассматривают через призму, которая искажает суждение; и какими бы высокими ни были волны на самом деле, воображение рисует их еще выше. Теперь, ни одна волна не поднимается более чем на десять футов над обычным уровнем моря, что, вместе с десятью футами, на которые ее поверхность впоследствии опускается ниже этого уровня, дает двадцать футов для всей высоты от дна любой водной долины до соседней вершины. Это утверждение легко проверяется человеком, который пытается определить, на какой высоте на мачте корабля горизонт остается всегда в поле зрения поверх волн — с учетом случайных наклонов судна и ее погружения в воду гораздо ниже ватерлинии в то время, когда она достигает дна впадины между двумя волнами. Морские брызги, гонимые силой ветра, конечно, гораздо выше вершины жидкой волны; и волна, наталкиваясь на препятствие, может взметнуться на большую высоту над ним. У маяка Эддистоун, когда разбивается прибой, который рос под штормом через всю Атлантику, он перехлестывает даже через фонарь на вершине».

201. Количество движения. — Количество движения тела — это его сила в состоянии движения. При оценке количества движения любого тела необходимо учитывать две вещи: его скорость и его количество материи или вес. Пуля, выпущенная из ружья, обладает значительно большей силой, или способностью преодолевать препятствия, чем пуля, брошенная рукой, из-за своей большей скорости. Теперь предположим, что вес или количество материи увеличилось в десять раз, а скорость движения осталась прежней; тогда тело будет обладать в десять раз большей силой и преодолеет в десять раз большее препятствие. По этой причине небольшой камень, упавший на голову человека, может причинить лишь незначительный вред, в то время как камень в десять раз больше, упавший с той же высоты, может оглушить и, возможно, убить его. Но если бы большой камень мог падать со скоростью, составляющей лишь одну десятую скорости маленького, эффект от обоих был бы одинаковым. Пусть этот пример проиллюстрирует правило для вычисления количества движения движущихся тел, а именно: умножьте количество материи на скорость. Пусть вес маленького камня равен 1 унции, а большого — 10 унциям. Если они упадут с высоты 16 футов, сила, с которой ударит большой камень, будет выражена числом 160 (16×10), а сила маленького — числом 16 (1×16). Предположим теперь, что с помощью какой-либо силы, помимо гравитации, маленький камень можно заставить двигаться в десять раз быстрее большого; тогда сила, с которой он ударит, будет равна силе большого камня и будет выражена числом 160.

Fig. 133.

Я проиллюстрирую это другим способом. Пусть a и b (рис. 133) — два глиняных шара одинакового размера, подвешенных над градуированной дугой. Если позволить b упасть с верхней точки дуги, 6, то при столкновении с a он передаст половину своего движения a, и они оба продолжат движение вместе. Но как далеко они уйдут? До отметки 3 на другой стороне дуги. Почему? Пусть количество материи в каждом шаре будет равно 1, а движение b — 6. Следовательно, количество движения будет равно 6. Теперь количество движения обоих шаров вместе после удара будет таким же, как у b до него. Но количество материи стало в два раза больше, и его следует считать равным 2. Поэтому движение должно быть представлено числом 3, чтобы количество движения составило 6 (2×3). Но предположим, что b в два раза больше a. Падая с отметки 6, его количество движения будет представлено числом 12 (2×6). После того как он ударит a, количество движения обоих вместе будет таким же, как у b до удара; но так как количество материи равно 3, движение будет представлено числом 4. Таким образом, они переместятся к отметке 4 на дуге.

202. Примеры. — Достаточно нескольких примеров, иллюстрирующих, что количество движения складывается из количества материи и скорости. Если мушкетная пуля весом в одну унцию настолько потеряла энергию, что движется со скоростью всего один фут в секунду, ее сила будет настолько мала, что при попадании в кого-либо она не причинит вреда. Но пушечное ядро весом в тысячу унций, движущееся с такой медленной скоростью, будет обладать очень большой силой — фактически равной количеству движения пули весом в одну унцию, движущейся со скоростью 1000 футов в секунду. Если доска прижмет ногу человека к пристани, он едва это почувствует; но если эта доска, вместо того чтобы быть одной, является частью плота из тысячи скрепленных вместе досок, и весь плот движется с той же скоростью, сила увеличится в тысячу раз, и доска раздробит ногу. Точно так же, если бы одна доска, будучи в одиночку, двигалась в тысячу раз быстрее, чем весь плот, результат был бы тем же. Столь мягкое вещество, как свеча, может быть выстрелено сквозь доску благодаря количеству движения, сообщенному ей огромной скоростью. Пожалуй, нет лучшего примера огромной силы, сообщаемой веществу колоссальной скоростью, чем ветер. Воздух настолько легкий, что люди считают его почти ничем. Но пусть он придет в быстрое движение, и скорость придаст ему силу, количество движения, которое будет выбрасывать корабли на берег, опрокидывать здания и вырывать деревья с корнем. В этом последнем примере мы видим прекрасно проиллюстрированным смысл выражения «количество движения». В движущемся воздухе каждая частица вносит свой вклад в упомянутые разрушительные последствия. Каждую частицу, следовательно, можно рассматривать как резервуар движения, и количество движения в любом случае зависит от количества, которым обладает каждая частица, и от числа этих частиц.

203. Создание больших скоростей. — Когда нет препятствий для движения, большие скорости могут быть созданы одним импульсом. Так, в начале Творец дал единый импульс каждому из небесных тел, создав огромные скорости, которые остаются неизменными год за годом и век за веком, потому что эти тела летят по своим орбитам через пространство, где нет сопротивления чего-либо подобного воздуху, замедляющего движение. Но во всех движениях, которые мы видим вокруг себя, существуют препятствия, постоянно замедляющие их; и поэтому никакое очень быстрое движение не создается одним импульсом, а требуется последовательность импульсов для накопления достаточного количества движения, чтобы преодолеть препятствия и обеспечить большую скорость. Я приведу несколько примеров для иллюстрации. Один из лучших примеров — падение тел на землю. Вы знаете, что чем больше высота, с которой падает тело, тем больше его скорость и, следовательно, тем больше сила, с которой оно ударяется. Почему это так? Если бы оно падало из-за одного импульса, заставляющего его двигаться к земле, этого бы не происходило, и если бы на пути не было воздуха, скорость была бы равномерной; но сопротивление воздуха замедляло бы скорость, так что если бы несколько тел получили один и тот же импульс на разных высотах, то самое дальнее из них было бы наиболее замедлено и, следовательно, упало бы медленнее всех остальных. В этом случае, чем больше высота, с которой упал бы человек, тем меньше был бы вред. Но тело падает на землю не под действием одного импульса, а под действием последовательности импульсов, или, скорее, непрерывного импульса. Каждый момент, пока тело падает, оно притягивается землей, и это непрерывное действие причины движения заставляет его постоянно увеличивать скорость. На том же принципе непрерывного действия основано то, что человек высоко поднимает молоток, когда хочет нанести сильный удар. В этом случае и гравитация, и мышечная сила руки воздействуют на молоток на всем протяжении пути. Лошадь при ударе ногой делает то же самое, и благодаря большой длине ноги скорость, сообщаемая копыту этим непрерывным действием мышц, очень велика. Стрела выпускается не одним мгновенным импульсом тетивы, но тетива, следуя за ней на значительном расстоянии, сообщает ей непрерывный импульс. Действие пороха на пулю, вылетающую из ружья, кажется мгновенным и единичным импульсом, но на самом деле это не так. Большая скорость, сообщаемая пуле, придается ей непрерывным импульсом расширяющейся силы газов, образующихся из пороха, и поэтому она во многом зависит от длины ствола. Если он короткий, сила пороха не удерживается достаточно долго у пули, чтобы сообщить ей большую скорость.

204. Остановка больших скоростей. — Как для создания больших скоростей требуется непрерывная сила, так и для их остановки необходимо непрерывное сопротивление. Именно благодаря постепенному или непрерывному сопротивлению воздуха движение пушечного ядра прекращается. Теперь, если вместо этого постепенного сопротивления на пути ядра окажется какое-либо твердое вещество, например, гранитный блок, оно будет немедленно разбито. Мы видим, таким образом, причину, по которой твердое вещество умеренной толщины не оказывает такого эффективного сопротивления телу, движущемуся очень быстро, как какое-либо вещество более податливого рода и большего объема. Например, кипа хлопка остановит ядро, которое пробило бы доску, поскольку хлопок, легко подаваясь, позволяет силе ядра быть воспринятой и встретить сопротивление со стороны большего объема, в то время как дерево, не подаваясь, противопоставляет силе ядра лишь малую часть своего общего объема и поэтому не останавливает его; другими словами, количество движения ядра передается гораздо большему количеству материи в хлопке, чем в дереве. Эти принципы дают простое объяснение трюку, который иногда исполняется. Человек ложится на спину и, положив на грудь наковальню, позволяет кому-то нанести тяжелый удар молотом по наковальне, и не получает никаких повреждений. Почему? Потому что количество движения или сила молота распределяется по всему объему наковальни, а затем снова по объему податливой грудной клетки. Человек заботится о том, чтобы его легкие были хорошо наполнены воздухом в момент удара, так как это увеличивает объем и эластичность грудной клетки и тем самым способствует распределению количества движения. Если бы удар молота пришелся прямо на грудь, был бы нанесен большой вред, так как сила была бы потрачена на одну маленькую точку. Вышеизложенные принципы инстинктивно применяются людьми в их повседневной работе и усилиях. Вы видите человека, ловящего кирпичи, которые ему бросают. Принимая кирпичи в руки, он позволяет своим рукам и кирпичам немного переместиться вместе, чтобы постепенно погасить движение кирпичей. Сделать это внезапно — значит получить болезненный урок о количестве движения. Так, когда человек прыгает с высоты, он не приземляется в прямом положении. Это вызвало бы внезапную и, следовательно, болезненную остановку движения всего тела. Чтобы избежать этого, он приземляется на ноги со всеми согнутыми крупными суставами тела, так что различные части приближаются к земле последовательно, причем движение его головы останавливается в последнюю очередь.

Fig. 134.

205. Передача движения в упругих телах. — Количество движения передается от одного тела к другому совсем иначе в упругих телах, чем в неупругих. Как вы видели в § 201, когда одно неупругое тело ударяется о другое, количество движения делится между ними, и оба продолжают движение вместе. Теперь, если a и b (рис. 133) были бы упругими телами, как шары из слоновой кости, и b позволили бы упасть на a, он передал бы все свое количество движения телу a. Следовательно, b остановился бы, а a продолжил бы движение до той же высоты, с которой пришел b. Причина в том, что скорость, потерянная b и полученная a, ровно в два раза больше той, которая была бы, если бы шары были неупругими. По той же причине, если a и b, будучи упругими, встречаются друг с другом, падая с равных высот на дуге, они оба отскочат и вернутся на те же высоты, с которых пришли. Но если они неупругие, они просто уничтожают количество движения друг друга и останавливаются. Эффект, произведенный в первом случае, ровно в два раза больше, чем во втором, что вы можете увидеть, посчитав по дуге. По той же причине, если у вас есть ряд упругих шаров, как на рис. 134, и вы позволите a упасть из точки i на b, он остановится там; и, передав все свое количество движения b, это количество движения перейдет от b к c и так далее через весь ряд шаров к e, последнему из них, который отлетит в точку h на той же высоте, что и i, точка, с которой упал a. Если b удерживать неподвижно, а a позволить упасть на него, a отскочит на высоту, с которой упал, ибо тогда сжатая упругая пружина (§ 39) каждого шара, поскольку b неподвижен, передает все движение телу a. Именно по этой причине упругий шар при броске о что-либо неподвижное отскакивает. Если то, во что его бросают, идеально упруго, он отскакивает с силой, равной той, с которой его бросили.

Fig. 135.

206. Отражение движения. — Если упругое тело брошено перпендикулярно на поверхность, оно отскакивает по тому же пути, по которому было брошено. Но если оно ударяется о поверхность под углом, оно отбрасывается или отражается в другом направлении. Так, шар, брошенный из b на c (рис. 135, стр. 158), вернется по линии, проведенной к b. Но если он будет брошен из d, он отразится по линии c a. Теперь угол d c b, называемый углом падения, всегда равен b c a, углу отражения. То же самое, как вы обнаружите в других частях этой книги, верно для звука, света и тепла.

207. Равномерность движения. — Поскольку движение, однажды начавшись, склонно продолжаться, если его не остановят препятствия, оно естественно равномерно как по скорости, так и по направлению. Я буду говорить сейчас только о скорости. Предположим, что тело приведено в движение и не встречает никакого сопротивления со стороны трения, сопротивления воздуха или притяжения; оно будет двигаться вечно и с той же скоростью, с которой начало. Именно такие обстоятельства мы имеем при движении небесных тел по их орбитам. Они, правда, находятся под влиянием притяжения, но таким образом, как вы скоро увидите, который не мешает равномерности их движения. Если бы не эта равномерность, у нас не было бы регулярности времен и сезонов. Только благодаря равномерному движению Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси мы можем производить расчеты на завтра, на следующую неделю или на следующий год. Если бы эти движения были нерегулярными, это внесло бы путаницу во все наши расчеты на будущее и во все наши воспоминания о прошлом. Мы не можем измерять время ничем иным, кроме регулярного движения, и если бы не было регулярного движения, у нас была бы лишь весьма неточная мера, предоставляемая нашими ощущениями. Чтобы измерять время с точностью, мы берем какое-нибудь великое и обширное равномерное движение в качестве нашего эталона. Так, обращение Земли вокруг Солнца мы принимаем за одно деление времени и называем его годом. Мы наблюдаем, что в течение этого времени она вращается вокруг своей оси 365 раз, и время, затрачиваемое на каждое из этих вращений, мы называем днем.

208. Маятник. — Человечеством были приняты различные способы измерения времени. Сначала время неточно делилось простым наблюдением за Солнцем. Но спустя некоторое время человек прибег к различным приспособлениям для точного измерения коротких промежутков времени. Все они зависят только от равномерности движения. Солнечные часы измеряют время по равномерному движению тени на их циферблате, вызванному равномерным движением Земли по отношению к Солнцу. Песочные часы измеряют время по равномерному падению песка, вызванному силой гравитации. Лучшим измерением времени является сравнительно современное изобретение часов, в которых время делится на очень мелкие периоды равномерным движением маятника или балансира. Маятник представляет собой интересный пример движения, поддерживаемого влиянием гравитации. Лишь во времена Галилея, менее трех веков назад, его работа была понята и приспособлена для измерения времени. Он заметил, что люстры, свисающие с высоких потолков, вибрировали очень долго и равномерно после того, как были случайно приведены в движение, и мысль философа извлекла из этого явления самые важные результаты. Хотя это было перед глазами людей в том или ином виде с момента сотворения, именно Галилею было суждено заметить его значение, и результатом стало то, что маятник стал хранителем времени для человека по всей Земле.

Fig. 136.

209. Объяснение его работы. — Маятник обычно состоит из шара или груза на конце стержня, подвешенного так, чтобы вибрировать с малым трением в точке подвеса. Пусть a b (рис. 136) представляет такой маятник. Когда он находится в покое, он образует отвес, висящий к центру Земли. Если его поднять в точку c и оставить падать, сила гравитации не только перенесет его в b, но благодаря ускоренной скорости или накопленному количеству движения, которое она придает ему при спуске, она перенесет его в d. То же самое будет верно и для его возвращения из d. И он вибрировал бы вечно таким образом, если бы его можно было полностью освободить от сопротивления воздуха и трения. Но в действительности маятник, предоставленный самому себе, постепенно теряет свое движение из-за этих препятствий. В обычных часах задача гири состоит в том, чтобы противодействовать влиянию этих препятствий и поддерживать вибрацию маятника. В часах ту же роль для балансира выполняет пружина.

Fig. 137.

Времена вибраций маятника почти равны, независимо от того, велика или мала описываемая им дуга. Ибо когда вибрация большая, скорость, которую маятник приобретает при падении, больше, чем когда вибрация невелика. Причина в том, что чем выше он поднимается, тем круче начало его спуска. Так, a c (рис. 137) круче, чем c b.

Fig. 138. Fig. 139.

210. Компенсационный маятник. — Чем длиннее маятник, тем больше времени занимает его вибрация. Требуется маятник длиной чуть более тридцати девяти дюймов, чтобы вибрировать секунды. Холодная погода, сжимая маятник, заставляет его вибрировать быстрее, чем летом, и поэтому часы идут быстрее. К различным ухищрениям прибегали, чтобы противодействовать изменению длины маятников из-за тепла и холода, но то, что называется компенсационным маятником, является лучшим. В этом маятнике остроумно используется тот факт, что тепло расширяет латунь почти в два раза больше, чем сталь. Простая форма этого маятника приведена на рис. 138. Средний стержень сделан из латуни, а боковые стержни, b и c, — из стали. Предположим, что латунный стержень расширяется или увеличивается в длину на полдюйма. Стержень c был бы потянут им вверх, а стержень b — вниз, каждый на четверть дюйма; но этот эффект нейтрализуется расширением каждого стального стержня, которое составляет половину расширения латуни, то есть одну четверть дюйма. Груз d, следовательно, всегда сохраняет одно и то же расстояние от точки подвеса e. На рис. 139 вы видите компенсационный маятник более сложного характера, часть стержней которого стальная, а часть — латунная.

211. Склонность движения к прямолинейности. — Когда тело приведено в движение, если его предоставить самому себе — то есть если ничто не мешает его движению, — оно будет двигаться по идеально прямой линии. Требуется некоторое вмешательство какой-либо силы, чтобы искривить движение. Вы легко увидите из взглядов, которые я вам представил, что никогда не бывает движения, которое было бы, строго говоря, прямым, потому что каждое движение в некоторой мере сложное; то есть каждая причина движения модифицируется в своем действии другими причинами движения. Но мы можем очень близко приблизиться к прямому движению, заставив одну причину значительно преобладать над другими причинами. Я проиллюстрирую это. Если мы выстрелим пулей горизонтально из ружья, на нее воздействуют три силы: движущая сила пороха, сопротивление воздуха и притяжение Земли. Действие второй из них находится в прямом противоречии с первой и поэтому только замедляет движение, а вовсе не стремится отклонить его от прямого курса. Это видно из того факта, что пуля не отклоняется ни вправо, ни влево. Но третья сила стремится заставить пулю искривить свой путь к земле. Она делает это с того момента, как пуля покидает ружье, на протяжении всего полета, но настолько незначительно, что практически мы можем считать, что пуля движется прямо на коротких расстояниях. Когда мы берем большую дальность, мы должны учитывать это искривление движения вниз. Соответственно, ради точности в современных ружьях предусмотрен двойной прицел, как видно на A и B, рис. 140. Это, как вы видите, обеспечивает наведение ружья немного выше уровня цели, причем этот уровень обозначен пунктирной линией.

Fig. 140.

Fig. 141.

Чем больше движущая сила, тем ближе к прямой линии путь движущегося тела. Это можно очень ясно увидеть на рис. 141, изображающем вытекание воды из разных точек сосуда. Поскольку давление в жидкости зависит от глубины, § 121, сила, с которой вода выбрасывается, больше в точке C, чем в B, и в D, чем в C. Вытекающая струя, следовательно, наиболее близка к прямой в самой нижней точке, D.

Движение снарядов, упомянутое таким образом, будет более подробно рассмотрено далее.

Fig. 142.

Fig. 143.

212. Сложное прямолинейное движение. — Мы называем сложным то движение, которое создается двумя или более силами, действующими на тело. Оно может быть прямым или криволинейным. Я сначала скажу о прямом. Если человек попытается переплыть на лодке прямо через реку, точка, которой он достигнет, будет не прямо напротив той, из которой он начал, а ниже. На лодку действуют две силы: течение, стремящееся унести ее прямо вниз по потоку, и его гребля, стремящаяся перенести ее прямо поперек. Лодка пойдет ни в одном из этих направлений, а по линии между ними. Пусть A B (рис. 142) представляет берег реки, от которого он начинает путь в точке A, с носом лодки, направленным к C на противоположном берегу. Предположим теперь, что за время, которое требуется ему, чтобы переплыть, течение унесло бы его вниз к B, если бы он вообще не греб. Он достигнет за это время под действием обеих сил вместе точки D, напротив B, причем его курс будет линией A D. Так, если ветер дует на судно таким образом, что несет его на восток, а течение толкает его на юг, судно пойдет по средней линии, а именно на юго-восток. По той же причине, если мальчик ударит ногой футбольный мяч, уже находящийся в движении, он не будет нестись в том направлении, в котором он его ударил, а по линии между этим направлением и направлением, в котором его несло прежнее движение. В плавании, полете, гребле и т. д. мы имеем примеры сложного движения, при этом движущееся тело всегда выбирает среднюю линию между направлениями сил.

Fig. 144.

Fig. 145.

Если мы возьмем рис. 142, иллюстрирующий движение лодки, и проведем две линии, одну от A к C, а другую от B к D, мы получим параллелограмм A C D B (рис. 143), в котором линия A C представляет силу гребли, A B — силу течения, а A D — путь лодки. Вы видите, таким образом, что если мы хотим узнать, в каком направлении и как далеко за данное время переместится тело, на которое действуют две силы, мы должны провести две линии в направлении этих сил и длиной, пропорциональной расстояниям, на которые они переместили бы его за это время; затем, проведя две линии, параллельные этим, мы получим параллелограмм, и его диагональ будет представлять расстояние и курс движущегося тела. Если на тело действуют две равные силы под прямым углом друг к другу, описанная фигура будет квадратом, как вы видите на рис. 144. Если они отклоняются от прямого угла друг к другу, фигура будет варьироваться в той же пропорции от квадратной фигуры, как видно на рис. 145 и 146. На трех фигурах A B и A D представляют две силы, а A C — результирующее движение. Вы замечаете по этим диаграммам, что чем ближе две силы подходят к тому, чтобы быть в одном направлении, тем дальше они переместят тело. Вы видите это по разной длине диагоналей на рис. 144 и рис. 146. Чем ближе, следовательно, ветер совпадает с течением, тем быстрее судно будет нестись по ветру. Когда, с другой стороны, угол, под которым две силы действуют на тело, намного больше прямого угла, они продвинут его лишь на небольшое расстояние. Так, если две силы действуют на тело в направлениях D A и D C (рис. 147), они переместят его только на расстояние, представленное диагональю D B. Эта диаграмма представляет движение судна, плывущего почти прямо против течения при ветре, сила которого равна силе течения, в то время как рис. 146 представляет движение судна, где ветер и течение, будучи равной силы, почти совпадают. В приведенных выше диаграммах я предполагал, что силы равны; но та же истина может быть показана в отношении неравных сил, как видно на рис. 143.

Fig. 146.

Fig. 147.

213. Криволинейное движение. — Никакой единичный импульс не может создать криволинейное движение. Не могут этого и два или более импульса, сообщенные в одно время. В обоих этих случаях движение было бы по прямой линии. Криволинейное движение может быть создано двумя силами, одна из которых дает единичный импульс, а другая действует на него непрерывно. Знакомый пример у вас есть в шаре, вращающемся на конце веревки. Вы можете придать ему импульс, а затем, держа его в руке, позволить ему вращаться. Здесь импульс, который вы придаете шару, — это одна сила, а натяжение веревки — другая, причем последняя действует непрерывно. Ваша рука, держащая конец веревки, является центром, вокруг которого вращается движение; импульс, который вы придали шару, стремится заставить его улететь от центра по прямой линии, и поэтому называется центробежной силой; натяжение веревки удерживает его от такого улета, и поэтому называется центростремительной силой. Когда Земля при сотворении была приведена в движение, она двигалась бы по идеально прямой линии, если бы ее постоянно не притягивало к Солнцу, причем непрерывное действие этой последней силы такое же, как натяжение веревки в случае с вращающимся шаром. Сила притяжения, следовательно, является центростремительной силой Земли, а импульс, который был дан ей Творцом в начале, — это ее центробежная сила; и, сбалансированные между этими двумя силами, Земля и все небесные тела равномерно движутся вперед по своим орбитам. Центробежная сила, которую вы видите в этих иллюстрациях, — это просто стремление движения к прямой линии из-за инерции материи; и этому постоянно противодействует центростремительная сила.

Fig. 148.

214. Иллюстрации центробежной силы. — Когда вращают мокрую швабру, вода разлетается во все стороны под действием центробежной силы. По тому же принципу собака, выходя из воды, стряхивает ее полувращательным движением. Когда подвешенное ведро с водой быстро вращают, вода поднимается высоко по его стенкам и оставляет пустоту посередине. Именно стремление улететь от центра движения вызывает это. Большие колеса, вращающиеся с большой скоростью, ломались под действием центробежной силы своих частиц, и отсюда необходимость делать такие колеса очень прочными. Огромные точильные камни, используемые на оружейных заводах, иногда ломались посередине или разлетались на куски по той же причине. Человек, едущий верхом, при повороте на крутом углу наклоняет свое тело к углу, чтобы избежать падения под действием центробежной силы. Так, в цирковых номерах человек, стоящий на лошади, бегущей на полной скорости по кругу, сильно наклоняет тело внутрь, как вы видите на рис. 148 (стр. 167). Лошадь также инстинктивно наклоняется в ту же сторону по той же причине. Если всадник чувствует опасность падения, то, заставив лошадь бежать немного быстрее, тем самым увеличив центробежную силу, он облегчает трудность. Центробежная сила используется в мукомольном деле. Зерно подается между двумя круглыми камнями через отверстие в центре верхнего из них, и по мере вращения камня оно постоянно движется к окружности и там выходит в виде муки.

Fig. 149.

Fig, 150.

215. Изгибы рек. — Мы видим действие центробежной силы в изгибах рек. Когда изгиб уже начался в реке, он склонен увеличиваться, ибо, когда вода несется вдоль внешнего берега изгиба, она сильно давит на него, точно так же, как вода во вращающемся ведре, § 214, давит на его стенки под действием своей центробежной тенденции, или, другими словами, своего стремления принять прямое движение. Конечно, результатом является размывание этого внешнего берега, и в пропорции к рыхлости материала, из которого он состоит, и скорости течения реки. И когда образуется один изгиб, другой склонен образоваться ниже, но в противоположном направлении. Вода, проносясь вдоль изгиба a (рис. 149), направляется им к противоположному берегу в точке b и делает изгиб и там. Именно таким образом река, протекающая через рыхлую почву, например Миссисипи, приобретает очень извилистое русло. Как вода во вращающемся ведре поднимается вдоль стенок, так и в реке вода будет выше у берега a, чем на противоположной стороне. Водовороты и омуты производятся по тем же принципам, когда вода вынуждена быстро поворачивать вокруг какого-либо выступающего пункта. Если бы течение быстро двигалось вдоль берега a к пункту b (рис. 150), оно было бы направлено наружу сопротивлением этого выступа, и таким образом углубление осталось бы в точке c, прямо позади него, и это углубление было бы окружено вращающимся краем воды.

Fig. 151.

216. Применение центробежной силы в искусствах. — Центробежная сила широко используется в искусствах, но я приведу только два примера. В гончарном искусстве глина заставляется вращаться на вращающемся столе, при этом мастер одновременно придает глине такую форму, какую пожелает, с помощью своих рук и различных инструментов. Делая это, он постоянно соотносится с центробежной силой, придавая столу скорость, пропорциональную количеству этой силы, которая необходима на каждом этапе операции. Самое красивое применение этой силы, которое я когда-либо видел, — это производство обычного оконного стекла. Стеклодув собирает на конце своей железной трубки количество расплавленного стекла и выдувает его в большой шар. Когда он достигает достаточного размера и тонкости, он помещает его на подставку, как вы видите на рис. 151 (стр. 169). Второй человек теперь подходит со стержнем, имеющим немного расплавленного стекла на конце, и прикрепляет его к шару в точке, противоположной той, где трубка первого человека соединена с ним. Теперь подходит мальчик и, нанеся быстрый удар по этой трубке, разрывает ее соединение с шаром, оставляя отверстие в шаре там, где стекло выламывается. Второй человек, имея шар, прикрепленный к своему стержню, несет его к пылающей печи и, положив стержень на перекладину у ее устья, помещает шар прямо в пламя. Стекло вскоре размягчается, и он постоянно вращает шар. Отверстие в шаре увеличивается под действием центробежной силы, и в конце концов под действием этой силы шар превращается в плоский круглый диск. Стекла, которые называют «бычьими глазами», вырезаются из центров этих дисков.

Fig. 152.

217. Паровой регулятор. — Действие центробежной силы прекрасно иллюстрируется в этом регуляторе паровой машины. Он состоит из двух тяжелых шаров (рис. 152), подвешенных на стержнях от вертикальной оси, причем стержни соединены с осью шарнирами. Стержни также имеют шарнирное соединение на своих нижних концах с двумя меньшими стержнями, а последние имеют аналогичное соединение с кольцом, которое скользит вверх и вниз по оси. Теперь, чем быстрее вращается ось, тем дальше шары отлетают от нее под действием центробежной силы, и тем выше кольцо скользит вверх по оси. От кольца отходит, как вы видите, рычаг. Он соединен с клапаном в паровой трубе и таким образом регулирует количество пара, которое поступает в рабочую часть двигателя. Цель этого остроумного приспособления — заставить двигатель регулировать свою собственную скорость. Когда он работает не слишком быстро, клапан в паровой трубе широко открыт. Но в тот момент, когда он работает слишком быстро, шары выдвигаются далеко от оси, так что кольцо поднимается и с помощью рычага частично закрывает клапан. Меньше пара, следовательно, может поступить в двигатель, и двигатель, работая вследствие этого менее быстро, шары снова падают, открывая клапан. Вы видите, таким образом, что регулировка этого клапана регулятором эффективно предотвращает слишком быстрое действие двигателя.