Силы инерции

Этот факт лег в основу общей теории относительности — как видите, элементарные на первый взгляд явления вроде горения свечи в стакане бывают косвенно связаны с физическими теориями самого высокого уровня). В результате эффективное направление силы тяжести для ускоряющегося тела несколько отклоняется от вертикали назад — это нетрудно заметить при резком разгоне автобуса или поезда метро. То же самое происходит и в стакане со свечой. Если бы в стакане был подвешен отвес, он бы при рывке отклонился назад, и это бы никого не удивило. Пламя, своеобразный «отвес наоборот», отклоняется вперед, что тоже совершенно закономерно.

Разобраться в поведении уровня воды при погружении в нее стакана поможет закон Архимеда. Из него следует: если тело плавает, вес вытесненной им воды равен весу самого тела. Значит, когда стакан держится на плаву, уровень воды поднимается по сравнению с первоначальным так, словно в кастрюлю долили объем ВОДЫ У,= ГП стакана / воды, имеющий вес стакана. Этот новый уровень и отмечен на стенке карандашом. Если же стакан утоплен, вода поднимается так, будто ее объем увеличился на объем стенок и дна стакана Уэ= Плстакана. Поскольку плотность стекла больше плотности воды, объем стенок и дна стакана Уг меньше, чем объем воды VI, имеющий тот же вес. Поэтому во втором случае уровень воды ниже, чем в первом. Ожидать поднятия уровня нас заставляет лишь зрительная иллюзия — мы видим, что при затоплении стакана его стенки, находившиеся над водой, опускаются в нее, но забываем учесть, что вода при этом заполняет его внутренний объем, раньше остававшийся свободным. В опытах с не выливающейся водой происходят более многообразные явления, и здесь можно заметить сразу несколько парадоксов. Прежде всего, что вообще может удерживать воду в перевернутом сосуде? Ответ очевиден — атмосферное давление. Но такой ответ слишком груб и не объясняет, почему вода, не выливаясь из заполненной до краев кастрюли, выливается из кастрюли, заполненной наполовину, и почему из стакана она не выливается при любом заполнении.

Как известно, вода несжимаема: чтобы весьма незначительно уменьшить ее объем, нужно приложить большое давление. Соответственно, если заставить воду хоть чуть-чуть расшириться, давление внутри нее резко упадет. Поэтому стоит крышке отойти от краев заполненной доверху кастрюли на какую-то долю миллиметра, и давление внутри кастрюли станет настолько меньше атмосферного, что их разность удержит столб воды над крышкой. При сжатии или расширении воздуха, как и любого другого газа, давление меняется не столь резко. И если в перевернутой кастрюле есть, кроме воды, хоть немного воздуха, он начинает расширяться, а давление падает незначительно. Крышка может отойти от кастрюли на несколько миллиметров, и такой ширины щели достаточно, чтобы в одних местах начала выливаться вода, в других в кастрюлю стал просачиваться воздух, давление снаружи и внутри уравновесилось и крышка упала. Почему же вода не выливается из наполовину заполненного стакана? Причина не в стакане, а в листке бумаги, которым он накрыт. В отличие от металлической крышки листок способен прогибаться, не отходя от краев стакана. Когда мы плотно прижимаем листок к стакану, мы невольно вдав ливаем бумагу внутрь, а после опрокидывания стакана листок выпрямляется. Это дает возможность воздуху расшириться в большей степени, и давление в стакане падает так низко, что вода не выливается. Прогибание листка — главная причина разницы мекд-опытами со стаканом и с кастрюлей. В этом иегко убедиться, если накрыть стакан чем-то жестким, скажем, блюдцем (осторожно, не разбейте при переворачивании). Теперь вода в стакане по своим свойствам ничем не будет отличаться от воды в кастрюле.

Как видим, для объяснения опытов пришлось отказаться от первоначальных грубых представлений о происходящих в них процессах — пламя свечи при движении отклоняется назад; при затоплении плавающего тела уровень жидкости повышается; под действием силы тяжести вода выливается из перевернутого сосуда. Пришлось перейти к представлениям более точным: пламя располагается противоположно эффективному направлению силы тяжести; уровень жидкости до и после погружения тела зависит от соотношения плотностей тела и жидкости; при определенных условиях атмосферное давление может помешать воде вылиться из сосуда. Эти представления также не абсолютно строгие, и в каких-то других экспериментах они тоже могут не оправдаться.

Описанные опыты очень просты, но и из них можно вывести одно важное правило: если. модель физических явлений используется не при тех условиях, для которых создана (как сказали бы специалисты, не в той области параметров, на которую рассчитана), она дает неверные предсказания. Значительная часть любого физического исследования заключается в том, чтобы установить, в каких границах используемая модель справедлива, а где от нее придется отказаться. Пренебрежение этими границами может привести к ошибкам и при решении задач по физике из школьного учебника, и в серьезной научной работе.