logo
logo

Мокгольфье (1740-1810), знаменитый изобретатель воздушного шара, наполненного горячим воздухом, построил также замечательную машину, подымающую воду, В этой машине посредством трубы, выходящей из высоко расположенного резервуара , вытекающая вода, благодаря собственной силе, подымалась во второй трубе выше, чем она стояла в резервуаре.
Без всякого сомнения, каждый читатель вспомнит закон: в двух соединенных резервуарах вода всегда стоит на одинаковой высоте.
Как же это все-таки возможно, что в одной трубе вода подымается выше, чем в другой, соединенной с нею? Конечно, здесь мы имеем дело не с капиллярной трубкой, т.е. с такой узкой трубкой, в которой вода уже из-за сил сцепления между стенкой трубы и жидкостью подымается значительно выше, чем в широкой трубе. Различную ширину в трубах надо и здесь принять во внимание, но какое это имеет значение, мы увидим дальше. Но прежде всего мы должны еше установить одно общее соображение.
Так как здесь дело идет о поднятии некоторой массы воды, то вспомним, что поднятие тела составляет для поднимающего известную работу, для исполнения которой нужна работоспособность или «энергия».
О понятии «энергия» мы уже один раз говорили, именно в разделе о биллиардных шарах. Если биллиардный шар катится с известной скоростью, то он имеет способность привести п движение один шар (ряд шаров), который оп толкает. Он передает при этом энергию, которой он обладает вследствие своего движения, т.е. свою энергию движения, другому шару н сам при этом останавливается. Он совершает таким образом известную работу.

Если дело касается поднятия какого-нибудь тела, то затраченную работу легко выразить цифрами. Назовем работу, затраченную для поднятия 1 кг на 1 метр 1 килограммо-метром (1 кГм), то при поднятии 10 кг на 1 метр мы совершаем работу 10 кГм, при поднятии 10 кг на 10 метров — 100 кГм и т.д. Таким образом, можно выразить каждую работу в цифрах, а следовательно, и способности тела к известной работе, т.е. его энергию. Сознание, что мы имеем здесь дело с измеряемой величиной, очень важно для понимания наших последующих рассуждений. Хорошо известно, каким образом люди применяют энергию текучей воды, например, в том случае, когда вода с более высокого уровня падает на более низкий, для получения полезной работы. Каждая водяная мельница есть красноречивый свидетель того важного значения, которое текучая вода имеет для человеческой культуры. Это значение еще более увеличивается благодаря возможности превращать энергию движения в электрическую энергию, удобную для передачи на боль
шие расстояния. Про спокойную воду можно также сказать, что она имеет способность совершать работу, если она находится на такой высоте, что возможно ее падение вниз. В такой воде, вследствие ее высокого положения, может быть невидимым образом накоплена энергия, В противоположность «энергии движения», вызванной движениями тел, эта энергия называется «энергией положения».
Хороший пример для энергии такого рола представляет высоко расположенный горный пруд, вода которого может по требованию расходоваться на работу машин (например, для рудника и т. п.).
Понятия, с которыми мы только что познакомились, мы применим теперь к одному весьма простому случаю. Возьмем две одинаковые стеклянные трубки от 1 м длины и 15 мм в диаметре. Прикрепим их параллельно к широкогорлому стеклянному сосуду с хорошо подогнанною пробкой. Через одну из трубок нальем в сосуд воду. Как только обе трубки наполнены до половины, мы можем, вдувая воздух в одну из труб, поднять этим воду в другой трубе. Чтобы удержать воду в этом положении, закрывают одну трубку пальцем или пробкой. Как только мы удалим запор, вода опустится в одной трубе и поднимется в другой. Но она поднимется совсем не так высоко, как она стояча в первой трубе. После нескольких качаний вода, наконец,успокоится.
На основании предыдущих соображений, мы теперь знаем, что воде, которая только что поднялась по трубе благодаря вдуванию воздуха, сообщена энергия (энергия положения). Вполне ясно происхождение этой энергии: это часть энергии мышц щек экспериментатора. Если только мы отнимем палец или пробку, то вода приходит в движение, стекая вниз, и энергия положения переходит в энергию движения, а в то же время вода из сосуда, соединяющего трубы, поднимается вверх по второй трубе. Если бы трение о стенки и сопротивление воздуха не препятствовали воде, то она поднялась бы во второй трубе так же высоко, как и в первой; следовательно, энергия была бы теперь сосредоточена во второй трубе и могла бы после минутного спокойствия воды поднять опять столько же воды в первой трубе.

водяная труба


Так как все это должно было бы продолжаться непрерывно, то мы имели бы вечное движение (см. ч. 1, гл.9). Но трение и сопротивление воздуха делают то, что лишь малая доля этого «теоретического эффекта» дает «практический эффект» и поэтому вода уже в первый раз поднимается далеко не так высоко, как раньше, и, совершив несколько колебаний, которые становятся все незначительнее, она приходит, наконец, в полнейший покой. Может быть, кто-нибудь подумает: сколько слов из за такого всем понятного факта! На это мы ответим: если мы простое и всем понятное не представим себе вполне ясно, как же мы поймем более сложное?
Чтобы подойти ближе к цели, именно к устройству водяного насоса Монгольфьера, построим наш аппарат так, чтобы мы имели возможность заменить широкую трубу более узкой. Для этой цели заменим одну из длинных труб более короткой, снабженной резиновым рукавом V (рис. 24), а к другой трубе прикрепим наверху большой резервуар (В). Кроме того, просверлим в пробке еще узкую дырку, в которую вставим длинную трубку диаметром приблизительно в 5 мм. Наполняют этот аппарат в то время, когда резиновая трубка сжата зажимом или закрыта, другим способом. Как только резиновая трубка будет открыта вода потечет через трубку F в сосуд А и отсюда начнет вытекать наружу через резиновую трубку. В это время вода в трубке S сильно понизится. Если мы внезапно зажмем резиновую кишку, мы заметим в аппарате сильный толчок, который быстро поднимет часть воды по трубке S и притом выше уровня воды в резервуаре В. Объяснение этого явления мы легко получим с помощью понятия об энергии. Из-за того что широкая труба V внезапно заменяется узкой для стекания воды, то количество воды, вытекающей из сосуда А, сразу становится равным малой доле прежнего количества, между тем как энергия всей подвижной массы воды остается прежняя. Если таким способом и теряется часть энергии, например через увеличение трения в узкой трубе, то все-таки понятно, что входящая в узкую трубу небольшая масса воды обладает сравнительно большим запасом энергии, чем большая масса воды, подымавшаяся при первом опыте в широкой трубе. В результате оказывается, что потеря энергии, происходящая благодаря трению, не только вполне вознаграждается, но остается еще избыток энергии, который поднимает воду на порядочное расстояние выше, чем она стояла в широкой трубе.
Таким образом, мы убеждаемся, что поднятие воды в трубке S вовсе не означает уклонения от законов природы, а скорее необходимо вытекает из наших соображений, даже и без опыта, доказывающего это явление. Противоречие с законом о сообщающихся сосудах только кажущееся. Оно исчезнет тотчас же, как мы заметим, что наш опыт касается движущейся воды, которая стремится к состоянию покоя, а в вышеприведенном законе речь идет о водяных массах, находящихся в покое и уравновешивающих друг друга. Таким образом, закон о сообщающихся сосудах здесь неприменим.
Аппарат, который мы построили есть не что иное, как упрощенная модель водоподъемной машины Монгольфье, известной под названием «гидравлического тарана». Это название объясняется толчком, который происходит в аппарате от закрытия трубы V и который служит причиной внезапного подъема воды в трубу S. Похожие толчки замечаются нередко и в водопроводах, когда какой-нибудь крап внезапно закрывают. Трубы со слабыми стенками могут легко лопнуть при таких толчках.
Употребляемый на практике гидравлический таран (как показано на рис, 25) снабжен еще некоторыми важными приспособлениями. Вода выходит из трубки не свободно, но через клапан (ударный клапан), который устроен так, что немедленно закрывается, как только скорость вытекающей воды и, следовательно, ее энергия движения достигают определенной величины. Тогда открывается поднимающийся вверх клапан Z, который, однако, ведет не прямо в подъемную трубу S, а сначала в регулятор W, к которому прикреплена труба S.

Гидравлический таран

Рис. 25. Гидравлический таран


Вода, сжатая в регуляторе, сжимает в нем воздух. Вследствие этого вода непрерывно выливается из подъемной трубы, так как в резервуаре W находится запас воды, который сжатым воздухом равномерно и непрерывно подается в подъемную трубу S, следовательно и в то время, когда оказывается закрытым клапан Z и открытым клапан V.
Читатель, наверное, уже заметил, что только при известном избытке в воде гидравлический таран окажется на месте. Даже при самых выгодных условиях теряется около 9/10 воды, и только 1/10 поднимается наверх.
Эта машина имеет большое преимущество перед другими машинами, так как она не требует за собой большого ухода, и только изредка запас воздуха в резервуаре должен быть обновлен, для чего спускают из резервуара воду, так как воздух в ней со временем растворяется. Гидравлический таран может быть употребляем на довольно больших расстояниях (до 1000 м) и может подымать воду на высоту до 100 м.