I. ЧТО ТАКОЕ ФИЗИКА

I. ЧТО ТАКОЕ ФИЗИКА

1. Разговор с министром.

Около ста лет тому назад в Англии жил и работал знаменитый ученый Михаил Фарадей (рис. 1). Сын простого рабочего, он сам был в молодости переплетчиком.

Читая попадавшие в мастерскую книги, Фарадей заинтересовался наукой много занимался и всей душой хотел получить возможность работать в каком-нибудь научном учреждении. В конце концов ему это удалось, хотя и с большими трудностями. И вот однажды в лабораторию Фарадея, т.-е. в помещение, где он производил свои научные работы, забрел какой-то министр. Фарадей показал ему некоторые научные опыты. Министру занятия Фарадея показались пустой игрушкой и он спросил:

— Какое же практическое значение могут иметь эти опыты?

— Кто знает, — ответил Фарадей. — Быть может, впоследствии, вы будете извлекать из этого налоги…

Фарадей оказался правым. Современная электротехника, т.-е. практические применения электричества, действительно, дает большой доход министрам нынешних капиталистических стран. А эта электротехника развилась именно из тех опытов, которые Фарадей показывал министру.

Фарадей занимался наукой физикой. Рассказанный случай показывает, насколько важное практическое значение могут иметь даже те научные работы по физике, которые с первого взгляда кажутся совсем далекими от жизни. В действительности они близки к жизни и даже больше: сама жизнь ставит перед учеными те задачи, которые они разрешают своими научными работами, а также дает им и средства для разрешения этих задач.

В дальнейшем мы и постараемся разобраться в том, что за наука физика, откуда она взялась и какую пользу приносит человечеству.

2. От палки к трактору.

Взглянув на рисунок 2, вы едва ли поверите, что изображенная на нем негритянка вскапывает землю для посева хлебных растений. А между тем это так. Именно таким простым орудием, мотыкой, до сих пор еще обрабатывают свои поля негры в глухих уголках Африки. Было время, правда, очень давно, когда люди употребляли для этой цели и еще более простое орудие — заостренную палку. Выдалбливали такой палкой ямку в земле и сажали в нее зерно.

Можно себе представить, как туго подвигалась вперед такая работа и как плохо при этом была обработана земля!

Какое может быть сравнение с работой трактора?

Вот пыхтит в поле эта неуклюжая по виду машина (рис. 3). Она тянет огромный плуг, управляемый одним-двумя человеками. Глубоко бороздит плуг землю, отваливая ее ровными пластами.

Если механизм в исправности, то работа идет гладко, споро, не выматывая из человека сил. Вспашка одной десятины нашей старой русской сохой требовала двух дней

тяжелой работы. Трактор вспахивает десятину за 2 ^1/2 часа! Но трактор не только пашет и боронует землю. Он работает и при уборке урожая с помощью привязываемой к нему сзади жатки и сноповязалки, он свозит урожай в амбары, молотит зерно, приводя в движение молотилку. Зимой трактор можно поставить на распиловку лесных материалов, корчевание пней и ряд других работ. Он же может служить в качестве небольшой электрической станции для освещения деревни или приводить в движение маслобойки, терки, мялки и тому подобные приспособления.

Какие же знания нужно было приобрести человечеству, чтобы пройти длинный путь от заостренной палки до такой полезной машины, как трактор? Этих знаний понадобилось так много, что их здесь и не перечислить! Назовем поэтому для примера только некоторые из них.

Если вы заглянете в механизм трактора, то увидите в нем всякие рычаги и рычажки, зубчатые колеса, блоки, ворот… Устройство и действие всех этих приборов изучает физика.

В тракторе сжигается топливо. От сжигания топлива развивается жар, тепло… Если трактор, например, паровой, то это тепло превращает воду в пар. Пар расширяется и приводит в движение механизм трактора. Как тепло превращается в движение — изучает физика. Как жидкость превращается в пар — это тоже изучает физика.

Слабая рука человека управляет тяжелым плугом трактора. Она поднимает и опускает лемеха, изменяет их наклон… Как небольшую силу превратить в большую — изучает физика.

Как видите, для того чтобы построить трактор, нужны очень многие знания и из физики.

3. На плоту и на пароходе.

Кое-где в глухих местах Америки сохранились еще остатки когда-то населявших ее диких индейцев. Когда им нужно отправиться в путешествие вплавь по реке, то они собирают бревна из упавших деревьев, связывают их друг с другом гибкими ветвями и сооружают таким способом плот (рис. 4). На плоту ставится хижина,защищающая от непогоды и служащая во время путешествия жилищем. В движение такой плот приводится с помощью весел или просто шестов. Далекие иногда путешествия совершают на таком сооружении дикари. И каким же жалким кажется оно по сравнению с современным пароходом!

Вообразите, что вы находитесь на морском гиганте, отправляющемся сейчас в плавание (рис. 5). Ведь это целый пловучий город. Его население состоит из нескольких тысяч пассажиров, к которым надо прибавить еще тысячу человек команды. Просторные каюты, столовые, ванные… Вы можете сходить здесь в театр, посмотреть кино, послушать радио, поплавать в бассейне, прогуляться в цветущем саду. Правда, пока все это доступно лишь пассажирам высших классов, но скоро дело изменится… Идет эта махина со скоростью 40 километров в час и менее чем в неделю совершает, например, длинный путь из Европы в Америку. А насколько она действительно велика, можно судить хотя бы по рисунку 6. На нем изображен современный океанский пароход рядом с Кёльнским собором, — одним из величественнейших и громадных памятников средневекового искусства в Германии. Каким маленьким кажется этот собор по сравнению с пароходом! Какая огромная разница между путешествием на американском плоту и на таком пароходе. И несмотря на то, что последний сделан главным образом из металла, что на нем большое количество груза и людей,— пароход легко и свободно скользит по бурной поверхности океана.

Сколько знаний нужно для того, чтобы построить такой пароход.

И как особенно хорошо нужно изучить свойства жидкостей и условия устойчивого плавания на них твердых тел, чтобы наверняка рассчитать форму и размеры морского гиганта.

Эти знания дает опять-таки физика.

4. Быстрее птицы.

Давно ли человек с завистью смотрел на птицу, легко и плавно парящую в воздухе.

Прикованный своей тяжестью к земле, он долгое время мог только мечтать о том, чтобы самому подняться на воздух. Но в конце концов его мечты воплотились в жизнь. Сначала ему удалось подняться на воздушном шаре, наполненном нагретым воздухом, потом вместо последнего он стал применять для этой цели легкий газ [1] водород. Но воздушный шар не удовлетворял человека. Ведь на нем нельзя лететь, куда хочешь, им нельзя управлять: воздушный шар несется по воле ветра. И вот человек строит воздушный корабль, который передвигается машиной и управляется рулем. Мало того. Он строит самолеты, которые тяжелее воздуха и тем не менее несутся по нему быстрее птицы. И недалеко то время, когда человек будет чувствовать себя в воздухе так же свободно, как птица. Недалеко то время, когда воздух станет самым легким и удобным средством сообщения: ведь в воздухе нет ни гор, ни болот, ни оврагов, которые так мешают передвижению по сухому пути. Уже и теперь, как видно из рисунка 7, пассажиры воздушного самолета могут

путешествовать с удобствами. Во всяком случае не менее удобно, чем в электрическом трамвае.

Пройдет немного времени, и во время воздушного путешествия можно будет расположиться также, как в спальном плацкартном вагоне железной дороги. Воздух будет окончательно покорен человеком и ему уже не придется завидовать птицам.

Множество различных знаний вложено в постройку воздушного корабля и самолета. Но особенно важны здесь подробнейшие знания свойств газов и законов их передвижения. Эти знания дает физика.

5. "Газета вез бумаги и расстояния".

До "газеты без бумаги" люди додумались давно, гораздо раньше, чем до газеты на бумаге. Дикие африканские негры ухитряются переговариваться друг с другом и сообщать новости с помощью… барабана (рис. 8).

Таким способом они сносятся между собой на расстоянии целых километров. Это — газета без бумаги, но передать ее можно все-таки на очень небольшое расстояние.

Газетой без бумаги, для которой расстояния действительно не существует, является "радио". В Москве, на радиостанции имени Коминтерна стоит человек и читает "радиогазету". Звуки его голоса с помощью особых аппаратов влияют на силу и характер электрических разрядов в приборах станции. С сети проводов, называемой антенной, сигналы распространяются во все стороны в пространстве. И вот где-нибудь на другом конце СССР люди натянули в воздухе кусок металлической проволоки в несколько десятков метров, подвели один конец ее к небольшому аппаратику с какими-то лампочками, соединили с аппаратиком телефон и слушают живой голос московского чтеца.

Сигналы, передаваемые по радио, могут обежать кругом всего земного шара в одну седьмую часть секунды. Если они посланы с достаточно мощной станции, то с помощью чувствительных приборов их легко обнаружить на противоположном конце земного шара. Радио побеждает и время и расстояние. Теперь каждый, где бы он не находился, поставив у себя небольшой прибор, вроде изображенного на рисунке 9, может с удобством слушать дома доклады, лекции, концерты, оперу, даже изучать иностранные языки. Глухая деревня, в которой стоит радиоприемник, в тот же день узнает последние новости из Москвы, получает ценные советы по ведению своего хозяйства, предупреждается о видах на предстоящую погоду. Голос любимого вождя или крупного государственного деятеля одновременно слышат миллионы людей.

Какое сравнение с радио может выдержать негритянский барабан? Но зато какое бесчисленное количество знаний заложено в радио! Сколько человеческого гения и изобретательности кроется хотя бы в той маленькой лампочке, которая скромно помещается на маленькой крышке лампового радиоприемника!

Для того, чтобы иметь возможность устроить радио, надо было очень подробно и тонко изучить электричество. Электричество изучает физика.

6. Слуга человека — машина.

Если вы взгляните кругом себя, то вы найдете много приспособлений, или увеличивающих силу, или дающих возможность удобнее выполнить ту или другую работу. С помощью дверной ручки легче открыть защелку двери, чем просто рукой. Повернуть дверь на петлях легче и удобнее, чем отнимать ее, если бы она была только приставлена к входу в комнату. Разбить орех легче молотком, чем кулаком. Расколоть дрова можно только топором. Вытянуть ведро с водой из колодца легче воротом, а удобнее даже и с помощью простого блока. Рычагом можно сдвинуть с места такой большой камень, с которым ничего не поделаешь голыми руками.

Все эти приспособления — рычаг, блок, ворот и другие им подобные — называются простыми машинами. Простые машины, значит, или позволяют удобнее выполнить то или другое действие, или во много раз увеличивают силу человека, а также, скажем, и животных (ведь ворот можно заставить вращать, например, и запряженную лошадь).

Рассматривая подробнее какую-нибудь машину, работающую на заводе или фабрике, можно заметить, что и в ней действует много разных рычагов и рычажков, блоков, зубчатых колес и других простых машин. По разному связанные между собою, по разному расположенные, эти простые машины и в составленной из них сложной машине или увеличивают двигающую их силу, или позволяют удобнее выполнить какую-либо работу. Но там же мы увидим и другие машины, например, паровую или электромотор.

Что делает паровая машина? В ней сжигают топливо, а она приводит в движение работающие машины на фабрике. Паровая машина превращает тепло в движение. Что делает электромотор? В него пускается электрический ток, а мотор опять-таки двигает другие машины. Электромотор превращает электричество в движение. А если бы вы вздумали прогуляться на электрическую станцию, с которой посылается ток в электромотор, то увидали бы там динамомашину. В ней есть так называемый якорь, который вертит, скажем, паровая машина. От вращения же якоря в динамомашине получается электричество, которое и идет по проводам в электромотор. Динамомашина превращает движение в электричество.

И тепло, и электричество, и движение мы заставляем работать на наших фабриках и заводах, на паровозах и трамваях, на пароходах и радиотелеграфе… Они способны, значит, давать работу. А всякую способность производить работу в науке называют энергией. Тепло, электричество, движение являются, следовательно, разными видами энергии. И такие машины, как паровая, электромотор или динамомашина, преобразуют один вид энергии в другой.

Машина — верный слуга человека, незаменимый его помощник. И особенно такая машина, которая преобразует один вид энергии в другой. Без этих машин были бы немыслимы все чудеса техники, которыми так богата наша современная жизнь, были бы немыслимы наши фабрики и заводы. Чтобы построить такие машины, нужно было хорошо изучить разные виды энергии, нужно было хорошо узнать, как переходят они один в другой. Разные виды энергии и их превращения изучает физика[2] Добытыми ей результатами пользуется техника.

На целом ряде примеров мы получили некоторое понятие о том, что изучает наука физика. И на этих же примерах мы уже могли видеть, какую огромную пользу приносит эта наука. В дальнейшем нам предстоит узнать еще о многих полезных практических применениях физики, хотя, конечно, далеко не о всех. Для описания всех понадобилась бы книга гораздо больших размеров, чем эта. Но прежде, чем перейти к описанию применений физики, нам нужно узнать еще — откуда же взялась эта полезная наука.