Удивительная физика - Нурбей Гулиа

Пусть ветер дует в направлении, указанном стрелками на рис. 240, а, линия АВ изображает парус. Так как ветер давит равномерно на всю поверхность паруса, то заменяем силу давления ветра силой R, приложенной к середине паруса. Эту силу разложим на силу Q, перпендикулярную парусу, и силу F, направленную вдоль него вперед. Сила F никуда не толкает парус, так как трение ветра о ткань незначительно. Остается сила Q, которая толкает парус под прямым углом к нему. Теперь легко сообразить, как может парусное судно идти под углом навстречу ветру.

Рис. 240. Схема сил, действующих на парус (а) и лавировка судна, идущего «галсами» против ветра (б)

Пусть линия КК изображает киль судна. Ветер дует под углом к этой линии в направлении, указанном стрелками. Линия АВ изображает парус; его помещают так, чтобы плоскость его делила пополам угол между направлением киля и направлением ветра, напор ветра на парус мы изображаем силой Q, которая, как мы знаем, должна быть перпендикулярна парусу. Силу эту разложим на R, перпендикулярную килю, и силу S, направленную вперед, вдоль килевой линии судна. Так как движение судна в направлении R вызывает сильное сопротивление воды, потому что киль в парусных судах делается очень глубоким, то сила R почти полностью уравновешивается сопротивлением воды. Остается одна лишь сила S, которая направлена вперед и, следовательно, двигает судно под углом, как бы навстречу ветру. Сила S получает наибольшее значение именно тогда, когда плоскость паруса делит пополам угол между направлениями киля и ветра. Обычно это движение в бейдевинд выполняется зигзагами – галсами, как показано на рис. 240, б.

Конечно, можно делать парус в виде ветродвигателя или установленной на судне ветряной мельницы, которая будет вращать гребной винт корабля. Если представить себе воду в виде твердого тела, например, винта с наворачивающейся на него гайкой, связанной с судном, а гайку эту будет вращать ветряк на этом же судне, то вообразить движение судна прямо против ветра можно. Известный ученый академик Петр Леонидович Капица писал о принципиальной возможности судов такого типа с приводом гребного вала именно от ветряка. Но представить себе безмоторную баржу, движущуюся против течения реки, можно лишь с большим трудом, даже если эта баржа снабжена водяным колесом, вращающимся от самого течения. Получается движение внутренними силами, чего быть не должно.

Однако хитроумный русский механик-самоучка И. П. Кулибин, так поднаторевший в строительстве «вечных двигателей», осуществил и это. Проезжавшая по набережной Невы Екатерина II была поражена, увидев, как баржа без парусов бодро двигалась против течения реки. Естественно, моторных судов, по крайней мере на Руси, тогда не было, и двигать баржу против течения могла только нечистая сила. Или хитрость Кулибина.

Как же удалась эта хитрость? На барже (будем так называть это безмоторное судно) были установлены водяные колеса (рис. 241, а), такие, как на первых колесных пароходах (рис. 241, б). Баржа становилась на якорь, который отвозили на лодке далеко против течения и бросали там. Оставалась связь – веревка, один конец которой был прикреплен к якорю, а другой – к валу водяных колес.

Течение воды вращало колеса, веревка наматывалась на вал и тащила баржу вперед против течения (рис. 242). Когда баржа достигала якоря, его приходилось снимать и снова отвозить вперед. Баржа в это время становилась на другой якорь. Вот с такими трудностями приходилось барже идти против течения. Но делать было нечего, альтернатива – бурлаки (вспомните знаменитую картину Репина «Бурлаки на Волге»).

Рис. 242. Схема действия судна Кулибина, идущего против течения

Раздумывая над проектом П. Л. Капицы (судно, которое в определенных, очень узких рамках соотношения мощности и скорости вращения ветряка, а также водяного винта могло в принципе крайне медленно, но двигаться против ветра), автор пришел к выводу, что, имея хотя бы один якорь, можно двигаться быстрее. Причем никуда этот якорь отвозить не надо, это обычный якорь, который имеется на всех судах.

Вариант первый: судно с ветряком, движущееся против ветра. Судно стоит на якоре, ветряк вращается, разгоняет маховик – накопитель энергии. Когда маховик наберет достаточную энергию, его соединяют с винтом корабля и поднимают якорь. Маховик, развивая большую мощность (а он в принципе может развить любую мощность, которую выдержат валы), быстро движет судно против ветра, как если бы на этом судне был мощнейший двигатель. Когда энергия маховика иссякает, судно становится на якорь, и все повторяется снова.

Вариант второй, более приемлемый: судно с водяными колесами, наподобие Кулибинского. Но водяные колеса никакую веревку не наматывают, а так же, как и в первом случае, разгоняют маховик. Судно, конечно же, стоит на якоре. Когда энергии в маховике накопится достаточно, его соединяют с этими же колесами, но с другим передаточным отношением, чтобы они вращались гораздо быстрее. Судно снимается с якоря и, двигаясь против течения, преодолевает переход определенной длины, пока хватит энергии маховика. Затем сбрасывается якорь, и все повторяется снова.

Этот вариант можно с успехом применять на реках, имеющих быстрое течение (как Днепр, например), где имеется ряд остановок вдоль берегов. Вниз по течению судно идет само собой, останавливаясь на стоянках, где входят и выходят люди, заносят грузы и т. д. При этом даже на якорь становиться не надо, судно зачаливается к пристани, как обычно.

А когда надо возвращаться и идти против течения, все выполняется, как уже было описано, с той разницей, что судно не становится на якорь, а как раньше зачаливается на пристани. Таким образом, судно с колесно-маховичным движителем может плыть против течения без топлива, делая все те же остановки, как с обычным дизельным двигателем, но не расходуя горючее и не задымляя воздух. Никто, конечно, не мешает оснастить дополнительно и ветряком по первому варианту.

А после таких проектов, чем-то напоминающих «перпетуум-мобиле», но тем не менее реальных, посмотрим, что же еще необычного связано с судами в реках.

Если в узком фарватере (например, в канале или реке, ограниченной неширокими берегами), плывет моторное судно, как мы по старинке называем пароход, то берегитесь оказаться на лодке, а тем более плыть впереди него на небольшом расстоянии. Нам обычно кажется, что корабль толкает перед собой воду, уровень воды перед ним повышается и нас должно отбросить от корабля подальше. Что ж, так бы оно и было, будь этот корабль, допустим, парусным. Но с моторным судном, которое движет гребной винт, дело обстоит иначе.

При подходе судна вода перед ним начинает убывать, причем падение уровня может достигать даже порядка 1 м. (На Москве-реке, в районе Кунцево-Мневники, автор наблюдал падение уровня воды перед судном в 0,5 м, но там еще очень широкий фарватер.) Из этой ямы ни пловцу, ни лодке уже не выбраться, и они прямиком следуют под винт корабля. Так что помните об этом!

Почему же такое происходит? Да потому, что винт корабля, действуя как мощный насос, перегоняет воду спереди назад, двигая корабль в противоположном направлении, то есть вперед. Вот и падает уровень воды перед кораблем, отсасываемой винтом и отбрасывамой назад. А позади судна уровень воды, как и следовало ожидать, повышается (рис. 243). Можете в этом сами убедиться, лучше всего стоя на берегу какого-нибудь узкого судоходного канала.

Рис. 243. Падение уровня воды перед моторным судном

Уж если говорить об опасностях на реках, то нельзя не упомянуть о водоворотах. моторным судном Здесь многое напоминает описанное падение воды перед кораблем – та же яма в центре водоворота, из которой очень трудно выбраться. К тому же быстрое течение воды по кругу в водовороте втягивает человека из-за пониженного давления в потоке и не дает выбраться из него. Если, не дай Бог, попадете в такое положение, то запомните, что надо делать.

Рис. 244. Выплывание из водоворота

Не тратьте энергии на силовое выплывание из водоворота по поверхности воронки (рис. 244, фигурка на поверхности воронки). Дайте водовороту покрутить себя немного, а при этом старайтесь отдохнуть, набраться сил и сосредоточиться. Затем вдохните побольше воздуха, поднырните вглубь и под водой энергично выплывайте из водоворота наружу. Чем дальше отплывете от воронки водоворота, тем лучше. И только потом выныривайте, продолжая и на поверхности плыть прочь от опасного водяного вихря.

Как ведет себя жидкость… в ловушке?

Жидкости, в отличие от газов, практически несжимаемы, почти как твердые тела. И это определяет их интересное поведение, если они оказываются в ловушке.

Рис. 245. При резком закрывании пальцем струи воды из трубки наступает «гидравлический удар», и вода фонтанирует из бокового отверстия в трубке

Например, если трубку, в которой быстро течет вода, внезапно перекрыть, то энергия движущейся воды может наделать бед. Так как жидкость сжимается с большим трудом, то скоростной напор воды развивает очень высокое давление, нередко рвущее трубы. Это явление называется гидравлическим ударом. Поэтому в квартирах и делают краны медленно закрывающимися, чтобы не возникало гидравлических ударов. Можно достаточно просто в домашних условиях построить установку, демонстрирующую гидравлический удар, она хорошо видна на рис. 245. Но не стоит забывать, что трубка в нашем случае резиновая, она растягивается. Если гидравлический удар наступает в стальных трубках, то давление нарастает значительно резче.