Занимательная физика. Книга 1

Издательство «РИМИС» – лауреат Литературной премии им. Александра Беляева 2008 года.

Текст и рисунки восстановлены по книге Я. И. Перельмана «Занимательная физика», вышедшей в издательстве П. П. Сойкина (Санкт-Петербург) в 1913 г.

© Издательство «РИМИС», издание, оформление, 2009

* * *

Выдающийся популяризатор науки

Певец математики, бард физики, поэт астрономии, герольд космонавтики – таким был и остался в памяти Яков Исидорович Перельман, чьи книги разошлись по всему свету в миллионах экземпляров.

С именем этого замечательного человека связано возникновение и развитие особого – занимательного – жанра научной популяризации основ знаний. Автор более ста книг и брошюр, он обладал редким даром захватывающе интересно рассказывать о сухих научных истинах, возбуждать жгучее любопытство и любознательность – эти первые ступени самостоятельной работы ума.

Достаточно хотя бы даже бегло ознакомиться с его научно-популярными книгами и очерками, чтобы увидеть особую направленность творческого мышления их автора. Перельман ставил своей задачей показать обычные явления в необычном, парадоксальном ракурсе, сохраняя в то же время научную безупречность их истолкования. Главной чертой его творческого метода являлось исключительное умение удивить читателя, приковать его внимание с первого же слова. «Мы рано перестаем удивляться, – писал Перельман в своей статье «Что такое занимательная наука», – рано утрачиваем способность, которая побуждает интересоваться вещами, не затрагивающими непосредственно нашего существования… Вода была бы, без сомнения, самым удивительным веществом в природе, а Луна – наиболее поразительным зрелищем на небе, если бы то и другое не попадалось на глаза слишком часто».

Чтобы показать обычное в непривычном свете, Перельман с блеском применял метод неожиданного сопоставления. Острое научное мышление, огромная общая и физико-математическая культура, умелое использование многочисленных литературных, научных и житейских фактов и сюжетов, их поразительно остроумное, совершенно неожиданное истолкование приводили к появлению увлекательных научно-художественных новелл и эссе, которые читаются с неослабевающим вниманием и интересом. Однако при этом занимательность изложения отнюдь не является самоцелью. Напротив, не науку превращать в забаву и развлечение, а живость, художественность изложения поставить на службу уяснению научных истин – такова сущность литературного и популяризаторского метода Якова Исидоровича. «Чтобы не было верхоглядства, чтобы знали факты…» – этой мысли Перельман неукоснительно следовал на протяжении всей своей 43-летней творческой деятельности. Именно в сочетании строгой научной достоверности и занимательной, нетривиальной формы подачи материала таится секрет неизменного успеха книг Перельмана.

Перельман не был кабинетным литератором, оторванным от живой действительности. Он публицистически оперативно откликался на практические потребности своей страны. Когда в 1918 году был издан декрет СНК РСФСР о введении метрической системы мер и весов, Яков Исидорович первый опубликовал несколько популярных брошюр на эту тему. Он часто выступал с лекциями в рабочих, школьных и воинских аудиториях (прочитал около двух тысяч лекций). По предложению Перельмана, поддержанному Н. К. Крупской, в 1919 году начал выходить (под его же редакцией) первый советский научно-популярный журнал «В мастерской природы». Не остался Яков Исидорович и в стороне от реформы средней школы.

Необходимо подчеркнуть, что подлинным талантом отмечена также педагогическая деятельность Перельмана. На протяжении ряда лет он читал курсы математики и физики в высших и средних учебных заведениях. Кроме того, им было написано 18 учебников и учебных пособий для советской Единой трудовой школы. Два из них – «Физическая хрестоматия», выпуск 2-й, и «Новый задачник по геометрии» (1923 г.) удостоились весьма высокой чести занять места на полке Кремлевской библиотеки Владимира Ильича Ленина.

В моей памяти сохранился образ Перельмана – широко образованного, исключительно скромного, несколько застенчивого, предельно корректного и обаятельного человека, всегда готового оказать нужную помощь своим коллегам. Это был истинный труженик науки.

15 октября 1935 года в Ленинграде начал функционировать Дом занимательной науки – зримая, овеществленная экспозиция книг Перельмана. Сотни тысяч посетителей прошли по залам этого уникального в своем роде культурно-просветительного учреждения. Среди них был и ленинградский школьник Георгий Гречко – ныне летчик-космонавт СССР, дважды Герой Советского Союза, доктор физико-математических наук. Судьба двух других космонавтов – Героев Советского Союза К. П. Феоктистова и Б. Б. Егорова – также связана с Перельманом: в детстве они познакомились с книгой «Межпланетные путешествия» и увлеклись ею.

Когда началась Великая Отечественная война, ярко проявились патриотизм Я. И. Перельмана, его высокое сознание гражданского долга перед Родиной. Оставшись в блокированном Ленинграде, он, уже далеко не молодой человек (ему шел 60-й год), стойко переносил вместе со всеми ленинградцами нечеловеческие муки и трудности блокады. Невзирая на вражеские артиллерийские обстрелы и воздушные бомбардировки города, Яков Исидорович находил в себе силы, чтобы, преодолевая голод и холод, ходить пешком из конца в конец Ленинграда на лекции в воинские части. Армейским, флотским разведчикам, а также партизанам он читал лекции о крайне важном в ту пору деле – умении ориентироваться на местности и определять расстояния до целей без всяких приборов. Да, и занимательная наука служила делу разгрома врага!

К великому огорчению, 16 марта 1942 года Якова Исидоровича не стало – он скончался в блокаду от голода…

Книги Я. И. Перельмана и поныне продолжают служить народу – их постоянно переиздают у нас в стране, они пользуются неизменным успехом у читателей. Книги Перельмана широко известны и за рубежом. Они переведены на венгерский, болгарский, английский, французский, немецкий и многие другие иностранные языки.

Одному из кратеров на обратной стороне Луны по моему предложению присвоено наименование «Перельман».

Академик В. П. Глушко

Выдержки из предисловия к книге «Доктор занимательных наук» (Г. И. Мишкевич, М.: «Знание», 1986).

Предисловие

Предлагаемая книга по характеру собранного в ней материала несколько отличается от других сборников подобного типа. Физическим опытам, в точном смысле слова, в ней отведено второстепенное место, на первый же план выдвинуты занимательные задачи, замысловатые вопросы и парадоксы из области начальной физики, могущие служить целям умственного развлечения. В качестве подобного же материала привлечены, между прочим, некоторые беллетристические произведения (Жюля Верна, К. Фламмариона, Э. Поэ и др.), затрагиваются вопросы физики. В сборник вошли также и статьи по некоторым любопытным вопросам элементарной физики, обычно не рассматриваемым в учебниках.

Из опытов в книгу включены преимущественно те, которые не только поучительны, но и занимательны, и, к тому же, могут быть выполнены при помощи предметов, всегда имеющихся под рукою. Опыты и иллюстрации к ним заимствованы у Тома Тита, Тисандье, Бойса и др.

Считаю приятным долгом выразить свою признательность ученому лесоводу И. И. Полферову, который оказал мне незаменимые услуги при чтении последних корректур.

С.-Петербург, 1912

Я. Перельман

Рисунок Стевина на заглавной странице его книги («Чудо и не чудо»).

Глава I
Сложение и разложение движений и сил

Когда мы быстрее движемся вокруг Солнца – днем или ночью?

Странный вопрос! Скорость движения Земли вокруг Солнца никак, казалось бы, не может быть связана со сменой дня и ночи. К тому же, на Земле всегда в одной половине день, в другой – ночь, так что самый вопрос, по-видимому, лишен смысла.

Однако это не так. Речь идет не о том, когда Земля движется скорее, а о том, когда мы, люди, движемся скорее в мировом пространстве. А это меняет дело. Не забывайте, что мы совершаем два движения: несёмся вокруг Солнца и в то же время обращаемся вокруг земной оси. Оба эти движения складываются – и результат получается различный, в зависимости от того, находимся ли мы на дневной или ночной половине Земли. Взгляните на чертеж – и вы сразу увидите, что ночью скорость вращения прибавляется к поступательной скорости Земли, а днем, наоборот, отнимается от неё.

Рис. 1. Люди на ночной половине земного шара движутся вокруг Солнца быстрее, нежели на дневной.

Значит, ночью мы быстрее движемся в мировом пространстве, нежели днем.

Так как каждая точка экватора пробегает в секунду около полуверсты, то для экваториальной полосы разница между полуденной и полуночной скоростью достигает целой версты^[1] в секунду. Для Петербурга (находящегося на 60-й параллели) эта разница ровно вдвое меньше.

Загадка тележного колеса

Прикрепите сбоку к ободу тележного колеса (или к шине велосипедного) белую облатку и наблюдайте за ней во время движения телеги (или велосипеда). Вы заметите странное явление: пока облатка находится в нижней части катящегося колеса, она видна совершенно отчетливо; напротив, в верхней части колеса та же облатка мелькает столь быстро, что вы не успеваете ее разглядеть. Что же это такое? Неужели верхняя часть колеса быстрее движется, нежели нижняя?

Ваше недоумение еще возрастет, если вы станете сравнивать между собой верхние и нижние спицы катящегося колеса: окажется, что в то время, как верхние спицы сливаются в одно сплошное целое, нижние остаются видимы довольно отчетливо. Дело опять-таки происходит так, словно верхняя часть колеса быстрее катится, чем нижняя. Но между тем мы твердо убеждены, что колесо во всех своих частях движется равномерно.

В чем же разгадка этого странного явления? Да просто в том, что верхние части всякого катящегося колеса действительно движутся быстрее, нежели нижние. Это кажется с первого взгляда совершенно невероятным, а между тем это так и есть.

Простое рассуждение убедит нас в этом. Вспомним, что каждая точка катящегося колесá совершает сразу два движения: обращается вокруг оси и в то же время подвигается вперед вместе с этой осью. Происходит сложение двух движений – и результат этого сложения вовсе не одинаков для верхней и нижней части колеса. А именно, в верхней части колесá вращательное движение прибавляется к поступательному, так как оба движения направлены в одну и ту же сторону. В нижней же части колесá вращательное движение направлено в обратную сторону и отнимается от поступательного. Первый результат, конечно, больше второго – и вот поэтому верхние части колесá быстрее перемещаются, нежели нижние.

Рис. 2.

Рис. 3.

Верхняя часть катящегося колеса движется быстрее нижней. Сравните перемещения AA' и BB'.

Что это действительно так, легко убедиться на простом опыте, который рекомендуем проделать при первом же благоприятном случае. Воткните в землю палку рядом с колесом стоящей телеги так, чтобы эта палка приходилась против оси (см. рис. 2). На ободе колеса, в самой верхней и в самой нижней частях, сделайте пометку мелом; пометки эти – точки A и B на рисунке – придутся, значит, против палки. Теперь откатите телегу немного вперед (см. рис. 3), чтобы ось отошла от палки примерно на 1 фут^[2], – и обратите внимание на то, как переместились ваши пометки. Окажется, что верхняя пометка – A – переместилась значительно больше, нежели нижняя – B, которая только чуть-чуть отодвинулась от палки под углом вверх.

Словом, и рассуждение и опыт подтверждают ту странную на первый взгляд мысль, что верхняя часть всякого катящегося колеса движется быстрее, нежели нижняя.

Какая часть велосипеда движется медленнее всех других?

Вы знаете уже, что не все точки движущейся телеги или велосипеда перемещаются одинаково быстро, и что медленнее всего движутся те точки колес, которые в данный момент соприкасаются с землей.

Разумеется, все это имеет место только для катящегося колеса, а не для такого, которое вращается на неподвижной оси. В маховом колесе, например, и верхние и нижние точки обода движутся с одинаковою скоростью.

Загадка железнодорожного колеса

В колесе железнодорожном происходит еще более неожиданное явление. Вы знаете, конечно, что эти колёса имеют на ободе выступающий край. И вот, самая нижняя точка такого обода при движении поезда перемещается вовсе не вперед, а назад! В этом легко убедиться при рассуждении, подобном предыдущему, – и мы предоставляем читателю самому дойти до неожиданного, но вполне правильного вывода, что в быстро мчащемся поезде существуют точки, которые движутся не вперед, а назад. Правда, это обратное движение длится лишь ничтожную долю секунды, но дело от этого не меняется: обратное перемещение (и при том довольно быстрое – раза в два быстрее пешехода) все же существует, наперекор нашим обычным представлениям.

Рис. 4. Когда железнодорожное колесо катится по рельсу направо, точка Р его обода движется назад, налево.

Откуда плывет лодка?

Вообразите, что пароход плывет по озеру, и пусть стрелка a на рис. 5 изображает скорость и направление его движения. Наперерез ему плывет лодка, и стрелка b изображает ее скорость и направление. Если вас спросят, откуда отчалила эта лодка, вы сразу укажете пункт A на берегу. Но если с тем же вопросом обратиться к пассажирам плывущего парохода, то они укажут совершенно другой пункт.

Происходит это оттого, что пассажиры парохода видят лодку движущейся вовсе не под прямым углом к его движению. Не следует забывать, что они не чувствуют своего собственного движения. Им кажется, что сами они стоят на месте, а лодка несется с их скоростью в обратном направлении (вспомните, что мы видим, когда едем в вагоне железной дороги). Поэтому для них лодка движется не только по направлению стрелки b, но и по направлению стрелки c, – которая равна a, но обратно направлена (см. рис. 6). Оба эти движения – действительное и кажущееся – складываются, и в результате пассажирам парохода кажется, будто лодка движется по диагонали параллелограмма, построенного на b и c. Эта диагональ, обозначенная на рис. 6 пунктиром, выражает величину и направление кажущегося движения.

Рис. 5. Лодка (b) плывет наперерез пароходу (a).

Вот почему пассажиры будут утверждать, что лодка отчалила в B, а не в A.

Когда мы, несясь вместе с Землей по её орбите, встречаем лучи какой-нибудь звезды, то мы судим о месте исхода этих лучей так же неправильно, как и вышеупомянутые пассажиры ошибаются в определении места отплытия второй лодки. Поэтому все звезды кажутся нам немного перемещенными вперед по пути движения Земли. Но так как скорость движения Земли ничтожна по сравнению со скоростью света (в 10.000 раз меньше), – то и перемещение это крайне ничтожно и улавливается только при помощи точнейших астрономических приборов. Явление это носит название «аберрации света».

Рис. 6. Пассажирам парохода (a) кажется, будто лодка (b) плывет из точки B.

Но вернемся к рассмотренной выше задаче о пароходе и лодке.

Если вас подобные явления заинтересовали, попробуйте, не изменяя условий предыдущей задачи, ответить на вопросы: по какому направлению перемещается пароход для пассажиров лодки? К какому пункту берега пароход направляется, по мнению её пассажиров? Чтобы ответить на эти вопросы, вам нужно на линии a построить, как раньше, параллелограмм скоростей. Диагональ его покажет, что для пассажиров лодки пароход кажется плывущим в косом направлении, словно собираясь причалить к некоторому пункту берега, лежащему (на рис. 6) правее B.