Удивительная физика - Нурбей Гулиа

Все началось опять же с Китая. Согласно легенде, возникшей много веков назад, император Ши Хуанди приказал облицевать магнитным камнем ворота, открывающие дорогу к его дворцу. И если воин в железных латах пытался пройти через эти ворота, то застывал на месте, притянутый магнитом. Более того, если через эти ворота пытался пробраться злоумышленник со спрятанным оружием, то оно вырывалось у него и прилипало к магнитному своду, совсем как гвозди, вырванные из корабля «магнитной горой». Скорее всего, это вымысел, так как природные магниты не могли обладать такой силой.

Характерно, что идея вырывания оружия из рук врага магнитами пережила тысячелетия и дошла даже до позапрошлого века. В романе «На двух планетах» писатель XIX в. Курт Лассвиц описывает битву землян с марсианами. Земляне-кавалеристы смело выступили против марсианских воздушных машин и, казалось, вынудили их подняться в воздух, чтобы улететь. Но хитрые марсиане развернули между своими воздушными машинами нечто в виде огромного покрывала, накрывшего сверху поле сражения. Это покрывало оказалось… огромным магнитом необычайной мощности. Остальное происходило так же, как и в китайских магнитных воротах. Воздух во мгновение ока наполнился густой тучей копий, сабель и карабинов, с громом и треском летевших вверх к магнитному покрывалу, к которому они и прилипали.

Или появился фантастический проект по спасению кораблей от пушечных ядер противника. Идея состояла в том, чтобы на корабле установить навстречу противнику мощные магниты, покрытые толстой броней. Ядра неприятеля должны были притягиваться близлежащим магнитом, сворачивать в его сторону и разбиваться о прочную броню. Остальные части корабля можно было бы оставить незащищенными.

В принципе все было верно, кроме того, что даже самый мощный из магнитов не может действовать на большом расстоянии. Представим себе, что мы имеем магнит, способный притянуть 10 т железа на расстоянии в 1 см. Это очень сильный магнит. Так вот, если мы отодвинем полезный предмет еще на 1 см, то сила притяжения упадет в 8 раз! На расстоянии в 1 м сила притяжения упадет в 1 000 000 раз, и ни о каком притягивании ядер не может быть и речи.

Но в прошлом веке еще не умели рассчитывать силы магнитов, и такой магнит-броня все-таки был построен в 1887 г. Этот магнит притягивал стальную плиту так, что для отрыва ее нужна была сила в 10 т. Четыре 120-килограммовых ядра висели одно за другим на полюсе магнита. Но за 2 м от магнита люди, имевшие стальные предметы в карманах, лишь едва чувствовали действие магнита. О притяжении ядер неприятеля нечего было и думать. Правда, на стрелку компаса такой магнит действовал за 10 км.

И это послужило изобретению так называемых магнитных мин. Известно, что стальные тела под действием земного магнетизма самопроизвольно намагничиваются. Особенно это касается длинных предметов – мостов, кораблей. Так вот, такой намагниченный корабль, проплывая над миной, установленной на дне, влияет на прибор типа магнитной стрелки, находящийся в мине. Мина всплывает и взрывается близ корабля.

Такие магнитные мины можно легко обезвредить. По трассе движения корабля пускают самолет с мощным магнитом на борту. Этот магнит вызывает всплывание и взрыв мины, когда сам самолет будет уже далеко впереди. А кроме того, корабль можно и «размагнитить» – создать такое магнитное поле дополнительными магнитами, которое равно, но противоположно магнитному полю корабля. Так часто и поступали во время Великой Отечественной войны, в частности этим занимался в Крыму будущий великий физик И. В. Курчатов.

Возможен ли магнитный «вечный двигатель»?

С магнитами связаны многочисленные проекты «вечных двигателей», которые оказалось довольно трудно разоблачить.

В хронологическом порядке это выглядит так. Еще в XIII в. средневековый исследователь магнитов Пьер Перигрин де Марикур утверждал, что если магнитный камень обточить в виде правильного шара и направить его полюсами точно по оси мира, то такой шар завертится и будет вертеться вечно.

Сам де Марикур такого опыта не делал, хотя магнитные шары у него были, и другие эксперименты он с ними проделывал. Видимо, он считал, что сам недостаточно точно изготовил шар либо направил его полюсами не по оси мира. Но он настойчиво советовал читателям изготовить и опробовать магнитный вечный двигатель, добавляя: «Если выйдет, вы насладитесь, если нет – вините свое малое искусство!»

У этого же автора имеется описание еще одного «вечного двигателя» – зубчатого колеса с зубьями из стали и серебра через один. Если поднести к этому колесу магнит, утверждал де Марикур, колесо придет во вращение. Здесь де Марикур был очень близок к постройке хоть и не вечного, но по крайней мере теплового, двигателя, который в то время несомненно сочли бы за «вечный». Но об этом после, а пока о «настоящих» «вечных двигателях».

Любителей изготовлять магнитные «вечные двигатели» было великое множество. Английский епископ Джон Вилькенс в XVII в. даже получил официальное подтверждение изобретения им «вечного двигателя», но от этого последний не заработал. На рис. 331 показан принцип его действия. По мысли автора, стальной шарик, притягиваемый магнитом, поднимается по верхней наклонной плоскости, но, не достигнув магнита, проваливается в отверстие и катится по нижнему лотку. Скатившись, он снова попадает на прежний свой путь и так вечно продолжает свое движение.

На самом деле все выходило иначе. Если магнит был силен, то шарик не проваливался в отверстие, а перескакивал через него и прилипал к магниту. Если магнит был слаб, то шарик останавливался на полдороге на нижнем лотке, либо не сходил с нижней точки вообще. А вот «вечный двигатель», который построил сам автор в детстве, и был очень удивлен, когда тот не заработал.

В круглую пластмассовую коробочку, посаженную на спицу, как колесо на ось, помещался стальной шарик. Спереди нужно было поднести магнит, и коробочка-колесо должна была завертеться на спице (рис. 332). Еще бы: шарик притягивался магнитом, поднимался по стенке коробочки, как белка в колесе, как та же белка начинал, падая вниз, крутить колесо. Однако колесо вертеться не хотело. Как выяснилось, шарик под действием магнита поднимался, прижимаясь к стенке коробки, и падать вниз не собирался.

Рис. 331. Магнитный «вечный двигатель» Д. Вилькенса Рис. 332. «Вечный двигатель» с магнитом и шариком: 1 – пластмассовая коробка; 2 – магнит; 3 – стальной шарик

Но существуют и реальные магнитные двигатели, которые с первого взгляда похожи на вечные.

Еще сам Гильберт заметил, что если железо сильно нагреть, то оно совершенно перестает притягиваться магнитом. Сейчас температуру, при которой железо, сталь или сплавы теряют магнитные свойства, называют точкой Кюри, по имени физика Пьера Кюри, объяснившего это явление. Если бы эти магнитные свойства не терялись, то раскаленные болванки в кузницах можно было бы переносить магнитами, что очень заманчиво.

Но это свойство позволило создать так называемую магнитную мельницу, или карусель. Подвесим на нити деревянный диск или поставим его на стальную иглу подобно стрелке компаса. Затем воткнем в него несколько спиц и приставим сбоку полюс сильного магнита (рис. 333). Чем не зубчатое колесо де Марикура? Разумеется, как и то колесо, наша мельница вращаться не будет, пока мы не нагреем соседнюю с магнитом спицу в пламени горелки и легким толчком не сообщим вращение. Нагретая спица уже не притягивается к магниту, а следующая стремится к нему, пока не попадет в пламя горелки. А пока нагретая спица пройдет полный круг, она остынет и снова притянется магнитом.

Рис. 333. Магнитная карусель: 1 – стальные спицы; 2 – магнит; 3 – пламя

Чем не вечный двигатель? А тем, что на вращение его уходит энергия горелки. Стало быть, этот двигатель не вечный, а тепловой, в принципе такой же, как на автомобилях и тепловозах.

Работающие на этом же принципе магнитные качели легко построить и самому. Небольшой железный предмет подвесим на проволоке к вершине стойки качелей. Легче всего взять длинный кусок железной проволоки и скатать ее конец в небольшой комочек. Затем на небольшую подставку положим магнит, направленный одним полюсом вбок. Будем придвигать подставку с магнитом к подвешенному железному комочку, пока он не притянется к магниту.

Рис. 334. Магнитные качели: 1 – магнит; 2 – комок железной проволоки; 3 – пламя

Теперь подставим под качели спиртовку, свечу или другую горелку так, чтобы комочек оказался над самым пламенем (рис. 334). Через некоторое время, нагревшись до точки Кюри, он отпадет от магнита. Раскачиваясь в воздухе, он снова охладится и опять притянется к полюсу магнита. Получатся интересные качели, которые будут раскачиваться до тех пор, пока мы не уберем горелку.