Наполним стакан водой до краев и покроем его твердой бумагой. Потом, прижимая бумагу к стакану, перевернем его и затем отнимем руку от бумаги (рис. 21 а). Бумага останется в том же положении и вода не вытечет.
Рис. 21. Действие воздушного давления
Это мнимое уничтожение силы тяжести объясняется давлением воздуха. Так как воздух имеет определенный вес, то он давит на все находящиеся под ним тела. Так как частицы воздуха легко подвижны, подобно частицам жидкости, то сила давления верхних слоев распределяется на остальные и передается по всем направлениям. Поэтому воздух давит на окруженное им тело не только сверху и со всех сторон, но и снизу! И потому-то воздух давит на бумагу под нашим стаканом и вода не выливается. Сила давления воздуха так велика, что она могла бы сдержать еще больший напор воды, чем в нашем стакане. Давление воздуха на каждый квадратный сантиметр составляет 1000 г, а высота нашего цилиндрического стакана (измеренная внутри) достигает 10 сантиметров; поэтому ясно, что на бумагу давит 10 г воды, между тем как давление воздуха могло бы удержать давление воды в 100 раз большее, чем это имело место в данном опыте. Если этот опыт не удастся и вода вытечет, то объяснение надо искать в том, что воздух нашел возможность проникнуть в воду. Предотвратить эту возможность и есть единственная задача бумажного листа.
Узкая трубка (рис. 21 б), наполненная водой, не дает воде вытечь и в том случае, когда бумаги нет, если закрыть верхний конец трубки пальцем, так как у воды сцепление частиц достаточно велико, чтобы воспрепятствовать при таком малом сечении проникновению пузырьков воздуха в воду.
Наш опыт со стаканом воды может быть еще более интересен.
Наполним два одинаковых стакана с плоскими (лучше шлифованными) краями под водой, например в ванне, поставим их краями один на другой, обернем края полоской бумаги и поставим их под водой вертикально (рис. 21 в). Потом осторожно начнем их вынимать из воды. Если их положение будет вертикально, то можно удержать оба стакана, держа рукой лишь верхний. Нижний стакан вместе с находящейся там водой будет поддерживаться давлением воздуха снизу.
Для опыта удобнее стаканы с отвесными стенками, так как бумажная полоска будет лучше прилегать к стеклу. Конечно, назначение бумаги состоит не в том, чтобы благодаря своей крепости держать оба стакана вместе, бумага нужна лишь для равномерного распределения воздушного давления, а также она препятствует пузырькам воздуха проникнуть в каком-нибудь месте внутрь стакана или воде вылиться в другом. Для большей ясности следует взять не плотную бумагу, а, напротив, тонкую.
Для новичков не ЛИШНИМ будет указать, что неудача грозит не тогда, когда этот опыт делается в первый раз для себя; напротив того, чаще исего неудача постигает его тогда, когда, проделав целый ряд опытов для себя вполне удачно, он начинает демонстрировать данное явление перед удивленными зрителями. Потому опытный экспериментатор, чтобы показать последние два опыта в ванне и над ванной, булет заранее практиковаться. Тогда, если стакану или его содержимому удастся перехитрить атмосферное давление, стекло, скатерти и ковры не пострадают.
Относительно трубки В мы предполагали, что она слишком узка для того, чтобы вода могла вытекать из нее, а воздух одновременно подниматься вверх. Пусть, например, ее сечение имеет около 20 кв. мм. Так как давление воздуха на 1 кв. см (— 100 кв. мм) равно приблизительно одному килограмму, то на столб воды в трубке воздух должен был бы давить с силой приблизительно в 200 г. Но колонна воды, которая имеет 20 кв, мм в поперечнике, должна была бы в высоту иметь 10 метров для того, чтобы весить 200 г. Поэтому ясно, что если бы трубка такой высоты была наполнена водой и верхний конец ее был бы закрыт, то давление воздуха удержало бы воду в трубке.
Приведем еще один пример мнимого уничтожения закона силы тяжести (рис. 21 г).
Для опыта нужно приобрести не очень широкую стеклянную трубку; она изображена на рисунке. Трубку, наполнив водой, крепко закупоривают пальцем, а затем ставят сосуд, как показано на рисунке. Как только трубка будет открыта, вода начнет вытекать у Е и одновременно подниматься от F до Н; и это будет продолжаться до тех пор, пока короткое колено трубки будет погружено в воду. Течение прекратится, когда уровень воды опустится настолько низко, что вода перестанет касаться короткого колена трубки.
То, что здесь описано, есть действие хорошо всем известного «сифона». Вода в буквальном смысле течет в гору, и потому сифон можно употреблять, чтобы опорожнить сосуд, не нагибая его и не делая в нем отверстия. Чтобы объяснить действие сифона, наполним водой сначала только часть нашей изогнутой трубки (избегая при этом воздушных пузырей) и будем держать ее вверх открытыми концами, т. е. обратно тому, как это изображено на рис. 21 г. Давая трубке различный наклон, мы заметим, что вода в трубке будет всегда располагаться так, что обе верхние поверхности ее будут находиться на одном уровне или в одной и той же горизонтальной плоскости. Это есть известный закон о сообщающихся сосудах или же трубках. В этом опыте оба водяных столба давят в изогнутое место трубки один против другого и поэтому сохраняют равновесие. Странно при этом, однако, только то, что эти водяные столбы, как это видно при различных наклонах трубок, вовсе не должны быть одинаковой длины. Равновесие гораздо больше зависит от того, чтобы верхние границы обоих столбов лежали в одной и той же плоскости или, говоря по другому, чтобы оба водяных столба имели бы одинаковые высоты по вертикали.
Возьмем трубку, доверху наполненную водой, опрокинем отверстиями вниз и расположим так, чтобы эти отверстия находились в одной горизонтальной плоскости; оба водяных столба будут при этом различной длины, но одинаковой высоты по вертикали. Но на этот раз столбы жидкости не давят друг на друга, а тянут друг друга и как раз в месте перегиба трубки. Они должны, очевидно, опять быть в равновесии оттого, что они одинаковой высоты.
Хотя это звучит как будто просто, но на практике этот опыт неисполним, так как мы не можем заставить воздух и воду находиться в таком покое, какой необходим для нашего опыта. Но это не мешает нам применить установленное нами положение к задаче 6 сифоне. Если трубка, предварительно наполненная водой, висит гак, как показано на рисунке, то столбы жидкости, находящиеся между плоскостями G и Н, будут находиться в равновесии. Ограниченный же плоскостями G и Е водяной столб действует поэтому как перевес. Он тянет за собой находящиеся между G и Н водяные частички, связанный с ним силами сцепления, а последние, в свою очередь, поднимают воду в коротком колене. Таким образом объясняется то, что вода, поднимаясь в гору, вытекает через край стакана.
Давление воздуха с обеих сторон у нас не принимается во внимание, так как воздух давит с обеих сторон равномерно и его действия уничтожаются точно так же, как давления водяных столбов между плоскостями G и Н. Впрочем, не следует брать для сифона обязательно согнутую стеклянную трубку; также можно соединить те прямые трубочки коротким рукавом или даже можно воспользоваться для этого простою резиновою трубкою. Наполнение сифона производится или положив его в чашку с водой, или подставив его под водяной кран, или наполнив через воронку, или же, наконец, его вешают пустым в сосуд и затем отсасывают воздух в Е. Существует еще и третий способ для его наполнения. Для этого можно воспользоваться капиллярным притяжением. Если трубку В погрузить в воду так, чтобы верхний конец ее выступал над поверхностью, то вода внутри будет стоять выше, чем снаружи. Это есть следствие соединенного действия поверхностного давления воды и притяжения, которое испытывает каждая жидкость со стороны смачиваемых ею твердых тел.
Чем уже трубка, тем выше поднимается вода внутри.
Обычно очень узкую трубку называют капиллярной или же волосяной трубкой. Отсюда происходит выражение «капиллярное притяжение».
Если мы повесим изогнутую капиллярную трубку, как показано на рис. 21 д, в сосуд, достаточно наполненный водой, то жидкость будет в состоянии пройти через изогнутую часть благодаря капиллярному притяжению и будет во внешнем колене, благодаря своей тяжести, течь вниз. Как только во внешнем колене уровень воды достигнет поверхности сосуда, то аппарат станет действовать как простой сифон.
Кусок материи и кусок светильни могут быть рассматриваемы как очень тонкие капиллярные трубки, соединенные вместе, так как оба состоят из многих между собой почти не соприкасающихся волокон. Поэтому эти капилляры могут всасывать масло и этим питать пламя. Если мы перекинем через край стакана кусок материи так, как на рис. 21 т. е. чтобы один конец опускался в воду, почти наполняющую стакан, а другой конец висел снаружи, то она опять может действовать как сифон. Когда сосуд, почти наполненный водой, имеет листья, которые висят через край, то и они представляют капиллярный сифон, и очень скоро под стаканом на столе окажется водяная лужа. Теперь составим несколько более сложный аппарат, также работающий на принципе сифона, которым мы будем неоднократно пользоваться во второй части этой книги. Здесь дело касается такого приспособления, которым можно пользоваться, во-первых, для собирания воздуха и других газов и, во-вторых, для получения газового или воздушного течения. Такой аппарат называется газометром.
Берутся две одинаковые бутылки (рис. 22) из бесцветного стекла, форма и величина которых напоминают бутылки из под красного вина (3/4 литра), и проводят сквозь плотно пригнанные пробки две узкие трубочки: одну, доходящую до дна бутылки, а другую только до нижней поверхности пробки. Если нужно сделать приблизительное измерение количества газа или воздуха, то надо сначала сделать деления на бутылке. Для этого выливают постепенно из наполненной до пробки бутылки по 50 или по 100 куб. см воды в измерительный цилиндр (мензурку) и каждый раз замечают черточкой высоту воды в бутылке па специально наклеенной бумаге. Эту бумагу для защиты от случайного размокания можно покрыть лаком. Теперь следует наполнить эти бутылки водой несколько больше, чем наполовину (в случае, если они точно разделены до 250 делений).
Те длинные трубки, соединенные резиновой кишкой, которые вставлены в пробки, также следует вполне наполнить водой, а резиновую трубку сжать зажимом. Если трубки достаточно узки, то во время насаживания пробок на бутылки вода из них не вытечет и в них не проникнет воздух; об этом следует особенно позаботиться.
В том случае, когда бутылки при открытом зажиме спокойно стоят на столе, поверхности воды в обеих бутылках на одном уровне. Если же поднять одну из бутылок, то благодаря сифону вода из одной бутылки потечет в другую, пока обе поверхности не будут опять на одинаковом уровне. При этом воздух будет выжиматься из наполняющейся бутылки и всасываться в опоражнивающуюся бутылку. Итак, если бутылки точно разделены и проверены, то приблизительно можно определить количество протекающего воздуха. Примеры для этого опыта находятся во второй части книги.
Таким образом, и в этом аппарате вода течет вверх, как бы пренебрегая силою тяжести.