Жидкости и газы

Почему римский водопровод на столбах?

В Италии до сих пор сохранились остатки водопровода, по словам Маяковского, «сработанного еще рабами Рима». Все восхищаются римским водопроводом, и есть почему — это фантастическое сооружение в виде мостов-акведуков петляет, выделывая самые замысловатые кренделя. Один из римских акведуков — Аква-Марциа имеет длину 100 км, хотя по прямой расстояние между его началом и концом вдвое короче (рис. 158).

В чем дело, почему бы не построить водопровод по-современному? Поставить водонапорную башню, развести куда надо трубы под землей, и все обошлось бы во много раз дешевле (рис. 159). Все, писавшие о римском водопроводе, утверждают в один голос: римские инженеры не знали закона сообщающихся сосудов и не могли представить себе, что вода может идти вверх. Поэтому они давали своему акведуку равномерный уклон на всем протяжении пути, что сильно удлиняло и удорожало постройку. Известный популяризатор науки Я. И. Перельман также придерживался этого мнения и сетовал, что, например, на Аква-Марциа «полсотни километров каменной кладки пришлось проложить из-за незнания элементарного закона физики!».

Рис 158. Римский водопровод (после реставрации).

Рис. 159. Схема современного водопровода:

1 — водонапорная башня; 2 — бак для воды; 3 — насосы; 4 — отстойник; 5 — фильтры; б — магистральная труба.

Автор с этим утверждением не согласен и попытается пояснить почему.

В чем заключается закон сообщающихся сосудов? Да всего лишь в том, что в сообщающихся сосудах жидкость устанавливается на одном уровне. Закон этот первым опубликовал французский математик Блез Паскаль (1623−1662), и он носит его имя. Иногда его приписывают Э. Торричелли (1608−1647). Но люди знают этот закон и применяют его с глубокой древности.

Например строители, чтобы отметить горизонтальную линию. В прозрачную гибкую пластмассовую трубку, какие используют сейчас для полива огородов, заливают воду, а концы трубки разносят по местам, которые должны быть выполнены на одном уровне. Вода в трубке и показывает этот уровень — он един для обоих концов трубки (рис. 160).

Могли ли римляне не знать этого простого свойства жидкости? Римляне, которые пользовались причудливыми бассейнами и многочисленными ваннами, заливаемыми водой из одного источника? Даже простой чайник или кофейник демонстрирует нам этот закон — вода в носике доходит до того же уровня,

что и в самом чайнике. Рис. 160. Строительный уровень

А вот сосуд похитрее (рис. 161). В старину забавлялись поучительной игрушкой: изготовляли кружку (кувшин), в верхней части которой имелись крупные узорчатые вырезы. Такую кружку, наполненную вином, предлагали гостю, над которым хотели посмеяться. Как пить из нее? Наклонить нельзя — вино польется из множества сквозных отверстий, а в рот не попадет ни капли. Получится как в сказке: «Мед-пиво пил, по усам текло, в рот не попало…» Но кто знал секрет устройства таких кружек, — секрет, который показан на рисунке, — тот закрывал пальцем отверстие А, брал в рот носик В и втягивал в себя жидкость, не наклоняя сосуда: вино поднималось через отверстие С по каналу внутри ручки, далее по его продолжению D внутри верхнего края кружки и достигало носика. И здесь закон сообщающихся сосудов!

Рис. 161. «Хитрый» кувшин XVIII в. и его секрет.

Закон этот использовали и жрецы Древнего Египта для демонстрации своих «чудес», и древние греки. В одном из древнегреческих храмов, например, находилась «неиссякаемая» чаша А, наполненная водой (рис. 162). Люди постоянно черпали из нее воду, но ее уровень не понижался. Это в народе считалось чудом. А ведь там было два сообщающихся сосуда: один на виду — «неиссякаемая» чаша, а за стеной, невидимый для посетителей, второй сосуд — большой бак В с водой. Он-то и соединялся с чашей спрятанной под полом трубой С, и подпитывал ее, как только уровень воды в ней понижался. Аналогичное устройство имеют поилки для скота. Вот вам закон сообщающихся сосудов во всей его красе!

Рис. 162. «Неиссякаемая чаша» в древнегреческом храме.

Известен был этот закон и Герону Александрийскому, и даже его учителю Ктезибию. Стоит посмотреть на устройство насоса (рис. 163), а особенно водяных часов Ктезибия (рис. 164), чтобы понять, что знал он не только закон сообщающихся сосудов и другие гидростатические законы, но и законы движения жидкости.

Рис. 163. Древнеримский пожарный насос

Рис. 164. Водяные часы Ктезибия.

Таким образом, о чем-о чем, а о законе сообщающихся сосудов римские инженеры знали. Но знали они и еще одно свойство жидкостей, а именно то, что они давят не только вниз, но и вбок, и даже вверх!

Понять это свойство жидкости нам поможет простой опыт с использованием кастрюли и стекла от керосиновой лампы, которое еще можно найти в хозяйственном магазине, подойдет и любая стеклянная трубка хотя бы с одним ровным краем. Вырежьте из плотного гладкого картона кружок такого диаметра, чтобы он с запасом закрывал отверстие лампового стекла. Приложите его к торцу стекла и погрузите в воду, как показано на рис. 165. Чтобы кружок не отпадал при погружении, его можно придерживать ниткой или просто прижать пальцем. Погрузив стекло до некоторой глубины, вы заметите, что кружок хорошо держится и сам, не прижимаемый ни пальцем, ни нитью: его подпирает вода, давящая снизу вверх.

Рис. 165. Опыт, доказывающий,.

Вы можете даже измерить величину этого давления. Налейте осторожно в стекло воду; как только уровень ее внутри стекла приблизится к уровню снаружи, кружок отпадет. Это происходит тогда, когда давление воды на кружок снизу уравновешивается давлением на него сверху столба воды, высота которого равна глубине погружения кружка под воду. Таков закон давления жидкости на всякое погруженное в нее тело. Отсюда происходит и та потеря веса тел, погруженных в жидкость, о которой говорит известный закон.

что вода давит и вверх Архимеда.

Имея несколько ламповых стекол различной формы, но с отверстиями одинакового диаметра, вы сможете проверить и другой важный закон, относящийся к жидкостям, а именно: давление жидкости на дно сосуда зависит только от площади и высоты уровня жидкости, от формы же сосуда оно совершенно не зависит. Проверка будет заключаться в том, что вы проделаете описанный опыт со стеклами разной формы, погружая их на одну и ту же глубину (для чего надо предварительно отметить маркером на стеклах равные высоты). Вы заметите, что картонный кружок всякий раз будет отпадать при одном и том же уровне воды, наливаемой в стекла. Значит, давление водяных столбов различной формы, но одинаковой высоты, одинаково (рис. 166). Обратите внимание на то, что здесь говорится именно о высоте, а не длине, потому что длинный наклонный столб давит на дно также, как и короткий, но отвесный столб той же высоты.

Почему же знание этого свойства жидкости не позволило римлянам строить водопровод с большими перепадами высот?

Рис. 166. Давление на дно сосуда зависит от высоты уровня жидкости при любой форме сосуда.

Ответ на этот вопрос автор получил в поселке Новый Афон на Кавказе, где часто отдыхал. Там есть старинный водопровод, в котором имеются участки, как и в Риме, находящиеся на возвышенности с равномерным уклоном, и современные участки с большими перепадами высот. Так вот, на тех участках, где вода текла с равномерным уклоном, все было нормально. А там, где были большие перепады, вода давила не только вниз, но и вбок и вверх, и свистала из всех дырок в разные стороны. Если и 100 лет назад не смогли построить достаточно герметичных труб, то в Древнем Риме этого нельзя было сделать в принципе.

Металлических труб большого диаметра и на высокие давления тогда производить не могли — сварки не было, да и металла столько не нашлось бы. Даже литые из бронзы трубы (роскошь неслыханная!) надо было чем-то соединять. Свинцовых труб, столь любимых в Древнем Риме, такого диаметра и в таких количествах произвести было нельзя. Оставались трубы керамические или из кирпича с известкой, но такие трубы практически невозможно выполнить герметичными. Римляне хорошо это знали и использовали свои водопроводные трубы как лотки, где вода их полностью даже не заполняла. А сделай они водопровод современной конструкции, свистал бы он водой во все стороны уже сразу же после постройки, а не служил бы тысячи лет!

Какой формы свинцовые капли?

А вообще, какой формы капля жидкости, хотя бы дождевая капля? Как какой? Каплеобразной — такой, какую мы видим у капли, свисающей с крана или пипетки!

Рис. 167. Форма падающей дождевой капли.

А вот и нет. Дождевые капли сфотографировали в полете, и они оказались почти круглыми, чуть притупленными у переднего края (рис. 167). Почему же капля воды приняла такую форму? Да потому, что она естественна для жидкости, а падающая капля — свободное тело. Если устранить давление жидкости на сосуд, например, введя ее в другую жидкость, то она и в неподвижном виде примет сферическую форму. Почему это происходит?

Если вы подумали, что гравитация собирает жидкость в шар, то вы и правы, и нет. Если мы находимся невероятно далеко от каких-нибудь небесных тел, то действительно, частички жидкости или любые другие «скользкие» шарики рано или поздно соберутся в сферу. Но не на Земле — слишком ничтожны силы собственного притяжения в капле и слишком много причин помешать этому. Собирает жидкость в сферу сила ее поверхностного натяжения.

Вы видели ртуть, разлившуюся из разбитого градусника? Она ведь тоже скатывается в мелкие шарики, у ртути большое поверхностное натяжение, ему даже сила тяжести не мешает. (После того как полюбовались на шарики ртути, немедленно удалите их из комнаты, иначе вам не сдобровать!) Вода на столе, например, не удержится в виде сферы (если только капельки не очень маленькие, а поверхность несмачиваемая, например, жирная). Но можно устроить так, что даже большие объемы жидкости примут свою естественную, шарообразную форму. Находясь внутри другой жидкости такой же плотности, жидкость по закону Архимеда как бы теряет свой вес и принимает свою естественную, шарообразную форму.

Растительное масло плавает в воде, но тонет в спирте — такова его плотность. Можно поэтому приготовить такую смесь из воды и спирта, в которой масло не тонет и не всплывает. Введя шприцем или резиновой грушей в эту смесь немного масла, мы увидим, как оно собирается в сферу — большую круглую каплю, которая не всплывает и не тонет, а висит, как в невесомости (рис. 168, а).

Это еще не все. Пропустите через центр жидкой масляной сферы длинную ось (палочку или проволоку) и вращайте се, а вместе с ней и

Рис. 168. Неподвижный (а) и вращающийся (б) масляный шар в водно-спиртовой смеси.

масляный шар. Опыт удастся лучше, если насадить на ось смоченный маслом небольшой картонный кружочек, который весь находился бы внутри шара. Под влиянием вращения шар, совсем как небесные тела, начнет сначала сплющиваться, а затем отделит от себя кольцо. Разрываясь на части, кольцо это образует новые шарообразные капли, которые будут крутиться возле основного шара — масляной сферы (рис. 168, б). За смесь воды со спиртом не переживайте — ничего с ней не сделается от растительного масла. Ее можно будет в дальнейшем употребить по назначению так же, как и любую смесь этилового спирта с водой (например, в медицинских целях).

Итак, всякая жидкость, освобожденная от действия тяжести, принимает свою естественную форму — шарообразную. Из сказанного ранее о дождевой капле (включая и то, что в самом начале падения при небольшой скорости капли можно пренебречь ничтожным сопротивлением воздуха) следует, что падающие порции любой жидкости должны принимать форму шаров так же, как падающие капли дождя. Дробинки же представляют собой не что иное, как застывшие капли расплавленного свинца, который при заводском способе изготовления заставляют падать каплями с большой высоты в воду.

Дробь, отлитая таким методом, называется башенной, потому что при отливке ее заставляют падать с вершины высокой дроболитейной башни. Башни дроболитейного завода достигают в высоту до 45 м. В верхней части башни располагается литейное помещение, а внизу — бак с водой (рис. 169). Капли расплавленного свинца застывают в дробинки еще во время падения; бак.

Рис. 169. Башня дроболитейного завода

с водой нужен лишь для того, чтобы смягчить удар дробинки при падении и предотвратить ее деформацию. Отлитую дробь сортируют и правят. Дробь диаметром более 6 мм, называемую картечью, изготавливают иначе. Ее вырубают из свинцового прутка в виде кусочков, которые потом обкатываются.

Дробь получается более шарообразной формы, чем дождевая капля, у которой передняя часть притуплена, потому, что расплавленный свинец, как и жидкая ртуть, имеет высокое поверхностное натяжение, гораздо большее, чем у воды.

Какой толщины пена?

Что же такое поверхностное натяжение в жидкостях? Многие говорят о нем, но, как автор убедился, представляют себе его очень смутно.

Жидкости состоят из весьма подвижных молекул, совершающих колебательные движения около положения равновесия. Расположены эти молекулы очень близко друг к другу, поэтому жидкости так трудно сжать. Понятно, почему жидкости легко меняют форму — раз их молекулы постоянно «скачут», то «перескоки» происходят легче в направлении действия сил.

Теперь о том, как молекулы взаимодействуют друг с другом. Хотя молекулы электрически нейтральны, на очень малых расстояниях могут взаимодействовать электроны одних молекул с ядрами других. Причем силы взаимодействия могут быть силами как притяжения, так и отталкивания. На очень малых расстояниях, когда молекулы почти вплотную подходят друг к другу, они очень сильно отталкиваются. Не будь этого отталкивания, молекулы тотчас проникли бы друг в друга (места для этого достаточно!) и весь кусок вещества стянулся бы практически до одной молекулы. А при расстояниях, в несколько раз превышающих диаметр молекулы, между ними действуют уже силы притяжения, причем они по мере сближения увеличиваются, до определенного предела, разумеется.

Этим взаимодействием молекул в твердых телах обеспечивается прочность и упругость твердых материалов, а в жидкостях — поверхностное натяжение. Молекулы у поверхности раздела двух сред находятся в иных условиях, чем молекулы в глубине жидкости. Молекулу в глубине жидкости окружают со всех сторон соседние молекулы. Молекула же у поверхности жидкости подвергается воздействию других молекул только со стороны жидкости (рис. 170). Плотность пара, окружающего жидкость, много меньше плотности жидкости. Следовательно, силами взаимодействия молекулы жидкости у ее поверхности с молекулами пара можно пренебречь.

Вспомним, что молекулы притягиваются друг к другу на расстоянии порядка нескольких молекулярных радиусов и отталкиваются на очень близких расстояниях. Силы притяжения, действующие на молекулу поверхностного слоя со стороны всех остальных молекул, дают равнодействующую, направленную вниз. Однако со стороны соседних молекул на данную молекулу действуют и силы отталкивания. Благодаря этому молекула и находится в равновесии. Правда, любая молекула участвует также в тепловом движении. Но для молекул жидкости это движение сводится к колебаниям около некоторых положений равновесия. Причем время от времени молекулы изменяют свои положения равновесия. На место молекулы, ушедшей в глубь жидкости, приходит другая и т. д.

Рис. 170. Молекулы в жидкости и парах возле нее.

Рис. 171. «Растяжение» молекул поверхностного слоя: 1−5 — молекулы В результате действия сил притяжения и отталкивания плотность жидкости в поверхностном слое меньше, чем внутри. В самом деле, на молекулу 1 (рис. 171) действует сила отталкивания со стороны молекулы 2 и силы притяжения всех остальных молекул (5, 4, 5). На молекулу 2 действуют такие же силы притяжения со стороны лежащих в глубине молекул и сила отталкивания со стороны молекулы 3. Но, кроме того, действует еще сила отталкивания со стороны молекулы 1. Она сближает молекулы 2−3. В результате расстояние между молекулами 1−2 в среднем больше расстояния между молекулами 3—4 и т. д., до тех пор пока не перестанет сказываться близость молекул к поверхности. Таким образом, молекулы поверхностного слоя находятся в среднем на больших расстояниях друг от друга, чем молекулы внутри жидкости. Поэтому увеличение поверхности жидкости должно сопровождаться возникновением новых участков разреженного поверхностного слоя. А это требует совершения работы против сил притяжения между молекулами.

Вот этим-то и объясняется поверхностное натяжение, которое «обнимает» жидкость, и поэтому в свободном состоянии она принимает форму, при которой для данного объема площадь поверхности минимальна. А такой формой является шар — сфера.

На границе с воздухом больше всего поверхностное натяжение у металлов. У расплавленного золота оно 1,1 Н/м (сила, отнесенная к единице длины края поверхностного слоя); у других металлов поменьше: у свинца — 0,45 Н/м, у ртути — 0,47 Н/м, у алюминия 0,52 Н/м. Для обычных жидкостей (кроме ртути) рекордсменом, пожалуй, является вода — 0,073 Н/м, еще меньше у керосина — 0,029 Н/м, у спирта — 0,023 Н/м и меньше всего у эфира — 0,017 Н/м.

Так что из жидкостей, кроме жидких металлов разумеется, вода сильнее всего склонна к «шарообразованию». Раствор мыла в воде несколько снижает поверхностное натяжение, но дает удивительное свойство образовывать пузыри. Сейчас для надувания пузырей существуют особые жидкости, но годится и раствор обычного хозяйственного мыла в дождевой, снеговой, или, в худшем случае, кипяченой воде. Чтобы пузыри держались долго, можно прибавить к мыльному раствору до трети его объема глицерина. Трубочку лучше всего взять керамическую, но можно и толстую соломинку, крестообразно расщепленную на конце. Подойдет и обычная бумажная трубочка. Теперь для лучшего понимания физики поверхностного натяжения жидкостей, а также для эстетического наслаждения попробуем выдуть экзотические пузыри.

Выдувать пузыри лучше всего так. Окунув трубочку в раствор, держат ее отвесно, чтобы на конце образовалась толстая пленка жидкости и осторожно дуют в трубочку. При этом пузырек наполняется теплым воздухом наших легких, который легче окружающего воздуха, и выдутый пузырь поднимется вверх.

Если сразу же удается выдуть пузырь диаметром в 10 см, то мыльный раствор хорош; в противном случае добавляют в жидкость еще мыла до тех пор, пока пузыри не будут достигать такого размера. Но это еще не все. Выдув пузырь, надо обмакнуть палец в мыльный раствор и постараться пузырь проткнуть. Если он не лопнет, то можно приступать к опытам, если же лопнет, надо прибавить еще мыла.

Проводить опыты с мыльными пузырями следует осторожно и спокойно. Освещение должно быть яркое, иначе пузыри не покажут своих радужных переливов. Вот несколько удивительных опытов с пузырями, описанных английским физиком Ч. Бойсом в его книге «Мыльные пузыри».

В мыльный пузырь можно поместить цветок или вазочку. На тарелку или поднос наливают мыльный раствор так, чтобы дно тарелки было покрыто слоем толщиной 2−3 мм; в середину кладут цветок или маленькую вазочку и покрывают стеклянной воронкой (рис. 172). Затем, медленно поднимая воронку, дуют в ее узкую трубочку, — образуется мыльный пузырь. Когда же этот пузырь достигает необходимых размеров, наклоняют воронку и осторожно высвобождают из-под нее пузырь. Тоща цветок или вазочка окажутся лежащими под прозрачным полукруглым колпаком из мыльной пленки, переливающейся всеми цветами радуги.

Вместо цветка можно взять, например, статуэтку, поместив на ее голове мыльный пузырь. Для этого надо предварительно капнуть на голову статуэтки немного мыльного раствора, а затем, когда большой пузырь, покрывающий статуэтку, будет выдут, проткнуть его и выдуть внутри него пузырь маленький.

Рис. 173. Опыт, подтверждающий давление внутри мыльного пузыря.

Несколько пузырей можно поместить друг в друге. Из воронки, использованной в предыдущем опыте, выдувают большой мыльный пузырь. Затем погружают соломинку в мыльный раствор так, чтобы только кончик ее, который будет взят в рот, остался сухим, вынимают ее из раствора и просовывают осторожно через стенку первого пузыря до центра. Затем медленно вытягивая соломинку обратно, выдувают второй пузырь внутри первого. Действуя таким образом, можно выдуть несколько пузырей друг в друге.

Пленка мыльного пузыря все время натянута и давит на заключенный в ней воздух. Направив воронку с пузырем к пламени свечи, вы можете убедиться, что давление воздуха внутри пузыря не так уж мало — пламя заметно уклонится в сторону (рис. 173).

Следует отметить, что обычные представления о недолговечности мыльных пузырей не вполне обоснованы — при надлежащем обращении удается сохранить мыльный пузырь в продолжение недель. Английский физик Дьюар (создавший термос — сосуд Дьюара) хранил мыльные пузыри в бутылках, хорошо защищающих от пыли. В таких условиях ему удалось сохранять некоторые пузыри месяц и более. Известны случаи, когда мыльные пузыри годами сохранялись под стеклянным колпаком.

Такая прочность и сила натяжения пузырей вызвана тем, что поверхностный разреженный слой там находится и сверху, и снизу, то есть поверхностное натяжение как бы удвоенное.

И еще о мыльной пленке. Это одна из самых тонких вещей, доступных человеческому глазу. Она в 5 000 раз тоньше волоса или папиросной бумаги. При увеличении в 200 раз человеческий волос кажется толщиной с палец, но при таком же увеличении толщина мыльной пленки еще не доступна зрению. Увеличиваем еще в 200 раз — и стенка мыльного пузыря предстает в виде тонкой линии. Волос же при таком увеличении (в 40 000 раз) имел бы толщину свыше 2 м!

И эта тончайшая пленочка выдерживает давление, способное отклонить пламя свечи. Даже если это давление составляет одну тысячную атмосферы, или 100 Па при толщине пленки в 10*⁵ мм, это равносильно, если пузырь толщиной в 1 мм выдерживал бы 100 атмосфер или 10 МПа! Это обеспечит только прочнейшая сталь, значит, мыльная пленка прочнее стали!